CN102201482A - 量子阱红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子阱红外探测器，采用了GaAs/Al_xGa_1-xAs材料体系，利用MBE或者MOCVD技术生长，通过标准的半导体工艺制备。本发明的量子阱结构具有特定的结构参数，势阱的硅杂质掺杂浓度高于1×10¹²cm^-2，使探测器能够在室温或者准室温状态工作，吸收系数达30％以上，实现了对暗电流的有效抑制，从而大大减小了器件噪声，探测率可达到或者接近理论极限值，响应速度高于1GHz，最高可达100GHz。

Description

量子阱红外探测器

技术领域

本发明涉及一种半导体红外光电器件，具体涉及一种量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetectors，简称为QWIP)。

背景技术

在中红外至远红外波段发展较为成熟的传统探测器有碲化铟(InSb)红外探测器，和碲镉汞(HgCdTe)红外探测器。最近三十年来，随着低维材料技术的发展，出现了量子阱红外探测器这一新技术，并且得到快速发展和广泛应用。与其他红外技术相比，量子阱红外探测器具有响应速度快、探测率高、探测波长调，抗辐射性强等优点，而且可以用分子束外延技术(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等先进工艺生长，容易做出高品质、大面积、均匀性强的探测器阵列。在所用的各种材料的中，砷化镓/铝镓砷(GaAs/Al_xGa_1-xAs)材料是应用最为广泛，技术最为成熟的。它就有很多优良特性，如电子迁移率高、禁带宽度大、具有直接跃迁的能带结构。目前基于GaAs的量子阱红外探测器已经发展成为比较成熟的技术，人们已经利用它实现了对中、远红外以至太赫兹等各个区域的覆盖。

目前，中远红外波段的主流红外探测器，包括InSb红外探测器、HgCdTe红外探测器、量子阱红外探测器都在低温下工作(通常低于100K)，需要通过液氮杜瓦或循环制冷机制冷，严重限制了它们的广泛应用。此外，随着科技的发展，人们也对探测器的响应速度提出了很高的要求。在此前提下，急需出现一种室温或准室温工作、具备很高吸收系数和很快响应速度的红外探测器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种量子阱红外探测器，它可以在室温或准室温工作，且具备很高的吸收系数和很快的响应速度。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种量子阱红外探测器，包括：GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：

未掺杂的GaAs缓冲层；

n型掺杂的GaAs下电极层；

先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；

Al_xGa_1-xAs势垒层；

n型掺杂的GaAs上电极层；

其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，所述GaAs势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于1×10¹²cm^-2。

优选地，势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所探测的红外光子频率设计，所述势阱宽度为40～70nm，所述势垒厚度为30～50nm，势垒高度由Al_xGa_1-xAs中的Al组分x决定，x的范围在0.15～0.5。

优选地，所述n型掺杂的GaAs下电极层的厚度为0.5～10μm，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为0.5～5.0×10¹⁸cm^-3。

进一步地，所述的多量子阱层的周期数大于20。

优选地，所述量子阱红外探测器属于束缚态到连续态或准连续态跃迁型量子阱红外探测器。

优选地，所述量子阱红外探测器采用背面斜入射的光耦合方式，或者表面光栅结构。进一步地，所述的背面斜入射的光耦合方式，即在所述GaAs衬底层上打磨一个斜面，所述斜面和探测器的层面形成20°～70°的入射角，红外光垂直所述斜面射入。

优选地，所述量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

优选地，所述量子阱红外探测器的响应速度高于1GHz。

本发明具有以下优点：

1.本发明的量子阱红外探测器能够在室温或者准室温的条件下工作，工作温度大于200K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的量子阱红外探测器通常工作在100K以下，需要安置在杜瓦或循环 制冷机中。

2.本发明的量子阱红外探测器具备很高的光吸收系数，室温或准室温下光吸收系数达到30％以上。

3.本发明的量子阱红外探测器实现了对暗电流的有效抑制，从而大大减小了器件噪声，提高了探测率，在室温或者准室温下的探测率可达到或者接近理论极限值(背景限制探测率)。

4.本发明的量子阱红外探测器具备很高的响应速度，其响应频率在1GHz以上，最高可达100GHz，远远高于现有的红外探测器，极其适合于高速测量场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明背面斜入射光耦合方式的n型量子阱红外探测器结构示意图；

图2是300K时本发明的量子阱红外探测器的光透射谱；

图3是本发明的量子阱红外探测器对不同频率信号的响应能力；

图4掺杂浓度为1.5×10¹²cm^-2的样品对10.6μm激光在不同温度下的探测率。

具体实施方式

如图1所示，本发明所提出的量子阱红外探测器利用GaAs材料为衬底，利用MBE或者MOCVD技术逐层生长出以下多层结构：

(1)一层未掺杂的GaAs缓冲层。

(2)n型掺杂的GaAs下电极层，其厚度为0.5～10μm，所掺杂质为硅(Si)，其掺杂浓度为0.5～5.0×10¹⁸cm^-3，例如使Si掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

(3)先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层，多量子阱层的周期数大于20。其中，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，GaAs势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为Si，掺杂浓度满足或接近背景限制温度的最优化条件，其掺杂浓度为1～3×10¹²cm^-2。势阱宽度、势垒厚度和势垒高 度根据所探测的红外光子频率设计，势阱宽度为40～70nm，势垒厚度为30～50nm，势垒高度由Al_xGa_1-xAs中的Al组分x决定，x的范围在0.15～0.5。

(4)Al_xGa_1-xAs势垒层；

(5)GaAs顶部电极层，其厚度为0.5～10μm，所掺杂质为Si，其掺杂浓度为0.5～5.0×10¹⁸cm^-3，例如使Si掺杂浓度约为1×10¹⁸cm^-3。

随后，通过标准的光刻技术以及化学方法制备一定尺寸的平台器件。由于选择定则的限制，n型量子阱红外探测器不能吸收正入射的光子，故可采用背面斜入射光耦合方式：在GaAs衬底上打磨出斜面，让斜面和探测器的层面形成一定的入射角，入射角的大小在20°～70°；器件在工作时候，让入射光从斜面上照入，根据这种方式实现光耦合吸收。也可以在器件上制备二维光栅，来促进光的耦合吸收。

本发明的量子阱红外探测器的工作原理为：将两种不同的半导体材料(Al_xGa_1-xAs和GaAs)交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续。在势阱很窄，与电子波长可比拟时，根据量子力学原理，势阱中会产生束缚的分裂能级。当有光激发时，基态上的电子吸收光子能量后垂直跃迁到激发态，在外加偏置电压下形成光电流，通过对光电流的采集和分析，可实现对红外光的探测。GaAs体材料的带隙小，形成势阱层，而Al_xGa_1-xAs体材料的带隙大形成势垒层。Al_xGa_1-xAs的带隙随Al组分x增加而增加，我们可以通过调节Al组分x的含量和势阱宽度来人为剪裁量子阱的能带结构，根据试验，优选的势阱宽度为40～70nm，势垒厚度为30～50nm，x的范围为0.15～0.5。

本发明得出量子阱红外探测器的各部分最优化结构参数的设计原则如下：

(1)为获取高的光响应，量子阱采用了束缚态到连续态(bound to continuum，简称B-C)跃迁模式，或束缚态到准连续态(bound to quasibound，简称B-QB)跃迁模式。在此情况下，第一激发态不再是束缚态，而成为连续态(或准连续态)，阱中的电子受到光激发后跃迁，不需要隧穿过程就可从量子阱中逃逸出来。这种模式的主要优点是光谱响应宽，光电子能够从势阱中跃出进入连续态(准连续态)输运，能够在较低的偏置电压下收集光电子，暗电流也较小。

(2)势阱中Si掺杂浓度高于1×10¹²cm^-2。掺杂浓度的上升会导致两种效 果：

量子阱红外探测器的吸收系数与量子阱中的Si掺杂浓度成正比。对于一个10μm标准量子阱红外探测器，利用45°正入射时，若掺杂浓度为5×10¹¹cm^-2，每一个势阱的吸收效率约为0.54％。若掺杂浓度升至1.5×10¹²cm^-2，每一个势阱的吸收效率增至1.6％。

但另外一方面，过高的掺杂浓度会导致暗电流及暗电流噪声的快速上升。势垒较宽的量子阱红外探测器的暗电流主要来源于热激发电流，会随着掺杂浓度的增加而指数上升，相应的暗电流噪声也会如此。所以，掺杂浓度要比通常的量子阱红外探测器高，但并非越高越好，有一个最佳值。

我们通过研究得出的最优化条件为E_f＝k_BT_blip，其中Ef是费米能级，k_B是波尔兹曼常数，T_blip是背景限制温度，相对应的掺杂浓度为1～3×10¹²cm^-2。实际应用中，人们一般希望红外探测器具备尽量高的背景限制温度，当工作温度低于背景限制温度时，探测器的探测率达到理论极限值。

(3)多量子阱周期数高于20。增大量子阱周期数光将增强光吸收系数，从而提高量子阱红外探测器响应率及探测率。若掺杂浓度为1.5×10¹²cm^-2，量子阱周期数为20时，吸收高于30％。从材料生长的角度来讲，不希望周期太多，器件的台面工艺也不希望坡度太陡，所以量子阱的周期数目也并非越多也好。总体上的一个原则是：应选取是吸收达到最优的最少的量子周期数目。

(4)势垒厚度为30至50nm。量子阱红外探测器的暗电流主要来源于以下三种方式，即基态隧穿电流、热助隧穿电流以及热激发电流。其中基态隧穿电流与温度无关，在温度较低时起主导作用；而热助隧穿电流以及热激发电流与温度有关，是器件温度较高时暗电流的主要来源。势垒厚度加大，可有效地阻挡了隧穿电流，提高探测率。但研究表明，势垒厚度大于一定程度后器件的探测率也将趋于饱和。另外，势垒层厚度的选择还应考虑与高阻读出电路(希望低的暗电流)匹配。对GaAs/Al_xGa_1-xAs材料体系的中远红外量子阱红外探测器，势垒厚度一般在30至50nm之间。

本发明的量子阱红外探测器具有在室温(或准室温)下工作的优点，其工作温度可高于200K，如图2所示为300K时本发明的量子阱红外探测器的光透射谱。两个探测器都具备100个量子阱周期，掺杂浓度分别为1×10¹²cm^-2(虚 线)，1.5×10¹²cm^-2(实线)，他们的吸收系数都高于90％。且本发明的量子阱红外探测器的响应速度高于1GHz，最高可达100GHz。如图3所示为本发明的量子阱红外探测器在3V偏压下的光响应谱。图中掺杂浓度分别为1×10¹²cm^-2，1.5×10¹²cm^-2，和2×10¹²cm^-2三个器件的吸收半峰宽分别为260，390和500cm^-1如图4所示为室温或者准室温下，掺杂浓度为1.5×10¹²cm^-2的样品在10.6μm激光器照射下的响应率-偏压曲线。本发明掺杂浓度为1.5×10¹²cm^-2的样品对10.6μm激光在不同温度下的探测率中200K时，探测率达7×10⁷cm Hz^1/2/W，在300K时探测率为2×10⁷cm Hz^1/2/W。

Claims (9)

1.一种量子阱红外探测器，包括：GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：

未掺杂的GaAs缓冲层；

n型掺杂的GaAs下电极层；

先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；

Al_xGa_1-xAs势垒层；

n型掺杂的GaAs上电极层；

其特征在于，所述的多量子阱层，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，所述GaAs势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于1×10¹²cm^-2。

2.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所探测的红外光子频率设计，所述势阱宽度为40～70nm，所述势垒厚度为30～50nm，势垒高度由Al_xGa_1-xAs中的Al组分x决定，x的范围在0.15～0.5。

3.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述n型掺杂的GaAs下电极层和所述n型掺杂的GaAs上电极层的厚度均为0.5～10μm，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为0.5～5.0×10¹⁸cm^-3。

4.如权利要求1至3任一项所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述的多量子阱层的周期数大于20。

5.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器属于束缚态到连续态或准连续态跃迁型量子阱红外探测器。

6.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器采用背面斜入射的光耦合方式，或者表面光栅结构。

7.如权利要求6所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述的背面斜入射的光耦合方式，即在所述GaAs衬底层上打磨一个斜面，所述斜面和探测器的层面形成20°～70°的入射角，红外光垂直所述斜面射入。

8.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器的工作温度高于200K。

9.如权利要求1所述的量子阱红外探测器，其特征在于，所述量子阱红外探测器的响应速度高于1GHz。

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