CN102623523A - 一种有多色响应的量子点红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有多色响应的量子点红外探测器，包括：一GaAs衬底；一GaAs底接触层制作在GaAs衬底上；一下GaAs隔离层制作在GaAs底接触层上；一组分渐变AlGaAs层制作在下GaAs隔离层上；一Al0.2Ga0.8As势垒层制作在组分渐变AlGaAs层上；一3～10周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层制作在Al0.2Ga0.8As势垒层上；一组分渐变AlGaAs层制作在3～10周期点-阱结构上；一上GaAs隔离层制作在组分渐变AlGaAs层上；一3～10周期的InGaAs/GaAs量子点结构层制作在上GaAs隔离层上；一GaAs顶接触层制作在3～10周期的InGaAs/GaAs量子点结构上；一上电极制作在GaAs顶接触层上，收集并输出光电流信号；一下电极制作在GaAs底接触层台面上，与上电极一起给探测器加偏压。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电探测技术领域，主要是在GaAs衬底上生长InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构与InGaAs/GaAs量子点结构相结合的量子点红外探测器，特别是指一种有多色响应的量子点红外探测器。
背景技术
红外探测器在军事、民用等领域具有十分广泛的应用，例如导弹制导、夜视、医学诊断、环境监测、工业设备测试等等。HgCdTe探测器、量子阱红外探测器(QWIP)和量子点红外探测器(QDIP)等已经成为红外探测的主要技术，但是对于HgCdTe探测器来说，外延生长和工艺上的困难导致它的成品率低、成本高，进而限制了其性能与应用；量子阱红外探测器(QWIP)虽然得益于成熟的III-V材料外延生长技术与器件工艺而发展迅速，但是QWIP的量子效率较低，暗电流高，而且对垂直入射光不响应。与前两者相比，QDIP具备很多理论优势：首先，量子点有三维限制效应，其能级在三个维度上都是分立的，任何偏振的红外光都能够诱导子带间跃迁，所以QDIP不需要外加光栅就能够对垂直入射光响应，从而降低了器件成本和工艺复杂性，这是QDIP优于QWIP非常重要的一点；其次，量子点的声子瓶颈效应使有效载流子寿命更长，这样电子弛豫时间较长，有助于光激发电子更容易被收集形成光电流，利于响应率和增益的提高；另外，QDIP的暗电流低，能够达到较高的工作温度、响应率和探测率。提高量子点红外探测器的探测率，降低暗电流，提高工作温度，实现多色探测等是目前量子点红外探测器研究的主要方向。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种有多色响应的量子点红外探测器，以实现多色探测的目标，有利于量子点红外探测器在目标识别、化学分析、光谱探测等方面的应用。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种有多色响应的量子点红外探测器，包括：
一N型重掺杂或者半绝缘的GaAs衬底；
一GaAs底接触层，制作在该GaAs衬底上，该GaAs底接触层进行高浓度N型掺杂以实现与电极材料的欧姆接触，并为量子点层提供注入电子进行红外探测；
一下GaAs隔离层，制作在该GaAs底接触层上的一侧，在GaAs底接触层上的另一侧形成台面；
一下组分渐变AlGaAs势垒层，制作在下该GaAs隔离层上，Al组分从0.02由低到高逐渐过渡到0.2；
一Al0.2Ga0.8As势垒层，制作在该下组分渐变AlGaAs势垒层上；
一3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层，制作在该Al0.2Ga0.8As势垒层上；
一上组分渐变AlGaAs势垒层，制作在该3～10个周期的点-阱结构层上，Al组分从0.2由高到低逐渐过渡到0.02；
一GaAs隔离层，制作在该上组分渐变AlGaAs势垒层上；
一3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层，制作在该GaAs隔离层上；
一GaAs顶接触层，制作在该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层上，该GaAs顶接触层进行高浓度N型掺杂以实现与电极材料的欧姆接触，并为量子点层提供电子实现红外探测；
一上电极，该上电极制作在GaAs顶接触层上，通过该上电极实现对探测器加偏压；以及
一下电极，该下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，通过该下电极实现对探测器加偏压。
上述方案中，所述下组分渐变AlGaAs势垒层中的Al组分从0.02由低到高逐渐过渡到0.2，使该层电子势垒高度逐渐增加，以利于在正偏压下底接触层的电子注入到有源区量子点层。
上述方案中，所述Al0.2Ga0.8As势垒层作为所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层中第一层InAs量子点一侧的势垒层，用于降低暗电流。
上述方案中，所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层是吸收红外光形成光电流并最终实现中波红外探测的核心部位，在一定偏压下该3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层的响应波长能够成为多色响应量子点红外探测器的主要响应波长。
上述方案中，所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层的每一个周期结构包括：
一下GaAs隔离层，该下GaAs隔离层作用为优化生长表面，为InAs量子点的生长做准备；
一未掺杂的InAs量子点层，该InAs量子点层制作在下GaAs隔离层上，量子点中电子由接触层中电子注入得到；
一InGaAs量子阱层，该InGaAs量子阱层制作在未掺杂的InAs量子点层上，改变该InGaAs量子阱层厚度或In组分能够调控3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层的响应波长；
一上GaAs隔离层，该上GaAs隔离层制作在InGaAs量子阱层上；
一Al0.2Ga0.8As势垒层，该Al0.2Ga0.8As势垒层制作在上GaAs隔离层上，与GaAs隔离层形成InAs量子点上的第二个限制势垒以提供电子跃迁终态能级，该Al0.2Ga0.8As势垒层还能够阻挡暗电流。
上述方案中，所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层中的下GaAs隔离层的厚度为1-5nm，生长温度为450～650℃；未掺杂InAs量子点的淀积量为1.8～3.3ML，生长温度为450～550℃；InGaAs量子阱层的生长厚度为1-6nm，生长温度为450～550℃，In组分为0.1-0.2；上GaAs隔离层的厚度为1～10nm，生长温度为450～650℃；AlGaAs势垒层的生长厚度为30～60nm，生长温度为550～700℃，Al组分为0.2。
上述方案中，所述上组分渐变AlGaAs势垒层中的Al组分从0.2由高到低逐渐过渡到0.02，使该层电子势垒高度逐渐降低，以利于在负偏压下顶接触层的电子注入到3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层。
上述方案中，所述GaAs隔离层作为所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层的第一层InGaAs量子点衬底一侧的隔离层，为量子点提供势垒，用于降低暗电流。
上述方案中，所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层是吸收红外光形成光电流并最终实现长波红外探测的核心部位，在一定偏压下该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层的响应波长能够成为多色响应量子点红外探测器的另外一个主要响应波长。
上述方案中，所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层的每一个周期结构包括：
一未掺杂的InGaAs量子点层，量子点中电子由接触层中电子注入得到；
一GaAs隔离层，该GaAs隔离层制作在未掺杂的InGaAs量子点层上。
上述方案中，所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层中的未掺杂InGaAs量子点的生长温度为450～550℃，淀积量为2～9ML，In组分为0.3-0.7；GaAs隔离层厚度为30～70nm，生长温度为450～650℃。
上述方案中，所述GaAs底接触层和顶接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为0.3×1018cm-3～3×1018cm-3，生长厚度为0.3～2μm，生长温度为550～650℃。
上述方案中，所述上、下组分渐变AlGaAs势垒层，最高Al组分为0.2，最低Al组分为0.02，生长厚度为10～100nm，生长温度为550～700℃。
(三)有益效果
本发明提供的这种有多色响应的量子点红外探测器，包含量子点组分和势垒结构均不同的两种量子点周期结构，两种量子点周期结构中电子跃迁初态和终态能量间距的差异导致了它们响应波长的不同，因此具备该结构的量子点红外探测器能够在外加偏压下响应多个波长的红外光，或随着外加偏压的变化主要响应波长发生变化，实现了多色探测的目标，有利于量子点红外探测器在目标识别、化学分析、光谱探测等方面的应用。
附图说明
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为依照本发明实施例的有多色响应的量子点红外探测器的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
请参阅图1所示，图1为依照本发明实施例的有多色响应的量子点红外探测器的示意图，该量子点红外探测器包括GaAs衬底10、GaAs底接触层20、下GaAs隔离层30、组分渐变AlGaAs势垒层40、Al0.2Ga0.8As势垒层50、3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层60、组分渐变AlGaAs势垒层70、GaAs隔离层80、3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90、GaAs顶接触层100、上电极110和下电极120。
其中，该GaAs衬底10为N型重掺杂或者半绝缘的GaAs衬底。
该GaAs底接触层20制作在GaAs衬底10上，该GaAs底接触层20为高掺杂的GaAs底接触层，掺杂元素为Si，掺杂浓度为0.3×1018cm-3～3×1018cm-3，生长厚度为0.3～2μm，生长温度为550～650℃。对该GaAs底接触层20进行N型高掺杂是为了与电极120材料形成较好的欧姆接触，并为量子点层提供注入电子实现红外探测。
该下GaAs隔离层30制作在GaAs底接触层20上的一侧，在GaAs底接触层20上的另一侧形成台面21，该下GaAs隔离层30生长厚度为10-100nm，生长温度为550～650℃；该下GaAs隔离层30为生长组分渐变AlGaAs势垒层40提供良好的生长表面，一定厚度的下GaAs隔离层30能够减少位错向外延层的延伸。
该组分渐变AlGaAs势垒层40制作在下GaAs隔离层30上，该组分渐变AlGaAs势垒层40生长厚度为10～100nm，生长温度为550～700℃，Al组分从0.02由低到高逐渐过渡到0.2，使组分渐变AlGaAs势垒层40的电子势垒高度逐渐增加，以利于在正偏压下底接触层的电子注入到有源区量子点层60、90。
该Al0.2Ga0.8As势垒层50制作在组分渐变AlGaAs势垒层40上，生长厚度为30～60nm，生长温度为550～700℃；该Al0.2Ga0.8As势垒层50作为后面3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层60中第一层InAs量子点62一侧的势垒层，降低暗电流。
该3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层60，制作在Al0.2Ga0.8As势垒层50上，该3～10个周期的点-阱结构层60是吸收红外光形成光电流并最终实现中波红外探测的核心部位；3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层60包括：
一下GaAs隔离层61，该下GaAs隔离层61生长在Al0.2Ga0.8As势垒层50上，生长厚度为1-5nm，生长温度为450～650℃，该下GaAs隔离层61作用为优化生长表面，为InAs量子点的生长做准备；
一未掺杂的InAs量子点层62，，该InAs量子点层62制作在下GaAs隔离层61上，该InAs量子点层62淀积量为1.8～3.3ML，生长温度为450～550℃；InAs量子点层62是多色响应量子点红外探测器的核心部分之一，是产生光电流实现中波红外探测的关键区域；在一定偏压下，接触层电子注入到量子点层，InAs量子点层62内能级被部分填充，红外光照射到InAs量子点层62后，处于基态的电子吸收红外光并跃迁，在外加电场的作用下被收集形成光电流，从而实现该波段的红外探测；
一InGaAs量子阱层63，该InGaAs量子阱层63制作在未掺杂的InAs量子点层62上；该InGaAs量子阱层63In组分为0.1-0.2，生长厚度为1-6nm，生长温度为450～550℃，该InGaAs量子阱层为应力缓解层，较GaAs材料更适合低温生长，并且能够调控点-阱结构层60的响应波长；
一上GaAs隔离层64，该上GaAs隔离层64制作在InGaAs量子阱层63上，生长厚度为1～10nm，生长温度为450～650℃；该上GaAs隔离层64作用为保护InAs量子点层62和InGaAs量子阱层63；以及
一Al0.2Ga0.8As势垒层65，该Al0.2Ga0.8As势垒层65制作在上GaAs隔离层64上，生长厚度为30～60nm，生长温度为550～700℃；该Al0.2Ga0.8As势垒层65与上GaAs隔离层64形成InAs量子点62上的第二个限制势垒以提供电子跃迁终态能级，该Al0.2Ga0.8As势垒层65还能够阻挡暗电流。
其中，重复生长3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层60中的下GaAs隔离层61、未掺杂的InAs量子点层62、InGaAs量子阱层63、上GaAs隔离层64和Al0.2Ga0.8As势垒层65；
该组分渐变AlGaAs势垒层70制作在3～10个周期的点-阱结构层60上，该组分渐变AlGaAs势垒层70生长厚度为10～100nm，生长温度为550～700℃；Al组分从0.2由高到底逐渐过渡到0.02，使势垒高度逐渐降低，以利于在负偏压下顶接触层的电子注入到3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层60。
该GaAs隔离层80制作在组分渐变AlGaAs势垒层70上，生长厚度为10～100nm，生长温度为550～650℃；该GaAs隔离层80作为后面3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90的第一层InGaAs量子点91衬底一侧的隔离层，为量子点提供势垒，降低暗电流。
该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90制作在GaAs隔离层80上，该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90是吸收红外光形成光电流并最终实现长波红外探测的核心部位；该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90包括：
一未掺杂的InGaAs量子点层91，该InGaAs量子点层91淀积量为2～9ML，生长温度为450～550℃，In组分为0.3-0.7；InGaAs量子点层91是产生光电流实现长波红外探测的关键区域；在一定偏压下，接触层电子注入到量子点层，该InGaAs量子点层91中能级被电子部分填充，处于基态的电子吸收红外光并跃迁，在外加电场的作用下被收集形成光电流，从而实现该波段的红外探测；
一GaAs隔离层92，该GaAs隔离层92制作在未掺杂的InGaAs量子点层91上，该GaAs隔离层92生长厚度为30～70nm，生长温度为450～650℃；该GaAs隔离层92作为InGaAs量子点层91的势垒层，避免因量子点层的生长过程中应力积累导致的缺陷。
重复生长3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90中的未掺杂的InGaAs量子点层91和GaAs隔离层92。
该GaAs顶接触层100制作在3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层90上，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为0.3×1018cm-3～3×1018cm-3，生长厚度为0.3～2μm，生长温度为550～650℃；该GaAs顶接触层100进行高浓度N型掺杂以实现与电极110材料的欧姆接触，并为量子点层提供注入电子实现红外探测。
该上电极110制作在GaAs顶接触层100上，通过该上电极110能够对探测器加偏压。该下电极120制作在GaAs底接触层20上的台面21上，通过该下电极120能够对探测器加偏压。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，包括：
一N型重掺杂或者半绝缘的GaAs衬底；
一GaAs底接触层，制作在该GaAs衬底上，该GaAs底接触层进行高浓度N型掺杂以实现与电极材料的欧姆接触，并为量子点层提供注入电子进行红外探测；
一下GaAs隔离层，制作在该GaAs底接触层上的一侧，在GaAs底接触层上的另一侧形成台面；
一下组分渐变AlGaAs势垒层，制作在下该GaAs隔离层上，Al组分从0.02由低到高逐渐过渡到0.2；
一Al0.2Ga0.8As势垒层，制作在该下组分渐变AlGaAs势垒层上；
一3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层，制作在该Al0.2Ga0.8As势垒层上；
一上组分渐变AlGaAs势垒层，制作在该3～10个周期的点-阱结构层上，Al组分从0.2由高到低逐渐过渡到0.02；
一GaAs隔离层，制作在该上组分渐变AlGaAs势垒层上；
一3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层，制作在该GaAs隔离层上；
一GaAs顶接触层，制作在该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层上，该GaAs顶接触层进行高浓度N型掺杂以实现与电极材料的欧姆接触，并为量子点层提供电子实现红外探测；
一上电极，该上电极制作在GaAs顶接触层上，通过该上电极实现对探测器加偏压；以及
一下电极，该下电极制作在GaAs底接触层上的台面上，通过该下电极实现对探测器加偏压。
2.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述下组分渐变AlGaAs势垒层中的Al组分从0.02由低到高逐渐过渡到0.2，使该层电子势垒高度逐渐增加，以利于在正偏压下底接触层的电子注入到有源区量子点层。
3.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述Al0.2Ga0.8As势垒层作为所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层中第一层InAs量子点一侧的势垒层，用于降低暗电流。
4.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层是吸收红外光形成光电流并最终实现中波红外探测的核心部位，在一定偏压下该3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层的响应波长能够成为多色响应量子点红外探测器的主要响应波长。
5.根据权利要求4所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层的每一个周期结构包括：
一下GaAs隔离层，该下GaAs隔离层作用为优化生长表面，为InAs量子点的生长做准备；
一未掺杂的InAs量子点层，该InAs量子点层制作在下GaAs隔离层上，量子点中电子由接触层中电子注入得到；
一InGaAs量子阱层，该InGaAs量子阱层制作在未掺杂的InAs量子点层上，改变该InGaAs量子阱层厚度或In组分能够调控3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层的响应波长；
一上GaAs隔离层，该上GaAs隔离层制作在InGaAs量子阱层上；
一Al0.2Ga0.8As势垒层，该Al0.2Ga0.8As势垒层制作在上GaAs隔离层上，与GaAs隔离层形成InAs量子点上的第二个限制势垒以提供电子跃迁终态能级，该Al0.2Ga0.8As势垒层还能够阻挡暗电流。
6.根据权利要求5所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层中的下GaAs隔离层的厚度为1-5nm，生长温度为450～650℃；未掺杂InAs量子点的淀积量为1.8～3.3ML，生长温度为450～550℃；InGaAs量子阱层的生长厚度为1-6nm，生长温度为450～550℃，In组分为0.1-0.2；上GaAs隔离层的厚度为1～10nm，生长温度为450～650℃；AlGaAs势垒层的生长厚度为30～60nm，生长温度为550～700℃，Al组分为0.2。
7.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述上组分渐变AlGaAs势垒层中的Al组分从0.2由高到低逐渐过渡到0.02，使该层电子势垒高度逐渐降低，以利于在负偏压下顶接触层的电子注入到3～10个周期的InAs/InGaAs/GaAs/AlGaAs点-阱结构层。
8.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述GaAs隔离层作为所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层的第一层InGaAs量子点衬底一侧的隔离层，为量子点提供势垒，用于降低暗电流。
9.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层是吸收红外光形成光电流并最终实现长波红外探测的核心部位，在一定偏压下该3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层的响应波长能够成为多色响应量子点红外探测器的另外一个主要响应波长。
10.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层的每一个周期结构包括：
一未掺杂的InGaAs量子点层，量子点中电子由接触层中电子注入得到；
一GaAs隔离层，该GaAs隔离层制作在未掺杂的InGaAs量子点层上。
11.根据权利要求10所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述3～10个周期的InGaAs/GaAs量子点结构层中的未掺杂InGaAs量子点的生长温度为450～550℃，淀积量为2～9ML，In组分为0.3-0.7；GaAs隔离层厚度为30～70nm，生长温度为450～650℃。
12.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述GaAs底接触层和顶接触层，其掺杂元素为Si，掺杂浓度为0.3×1018cm-3～3×1018cm-3，生长厚度为0.3～2μm，生长温度为550～650℃。
13.根据权利要求1所述的有多色响应的量子点红外探测器，其特征在于，所述上、下组分渐变AlGaAs势垒层，最高Al组分为0.2，最低Al组分为0.02，生长厚度为10～100nm，生长温度为550～700℃。
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