CN103151418A - 双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法 - Google Patents

双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法，探测器包括：电源、金属接触层及核心部件，所述的核心部件包括：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由下至上依次逐层生长的：n型掺杂的GaAs缓冲层；n型掺杂的GaAs下接触层；双垒结构的多量子阱层核心工作区：以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；n型掺杂的GaAs上接触层；所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1-zAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层。本发明优点是：可工作于1.31μm左右的光通讯波段，并且具有很强的波长可调性以及更快的响应速度。

Description

双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种半导体红外光电器件，具体涉及一种双垒结构的量子阱红外探测器(Double-Barrier Quantum Well InfraredPhotodetectors，简称DBQWIP)。
背景技术
自从红外探测器于1950年发明，世界科学界对其开展了广泛的研究。早期的红外光电探测器多采用碲镉汞(HgCdTe)材料，但其可探测波长多为中红外至远红外波段。最近四十年来，涌现出大量的基于砷化镓(GaAs)衬底的III-V族量子阱红外光电探测器(QWIP)的研究成果，使得这一新技术得到快速发展和广泛应用。与HgCdTe探测器相比，采用GaAs为衬底的探测器依托成熟的生长和制造工艺，具有高均匀性、可重复性、响应速度快、探测率高的优点。此外，由于我们能够精准的调节量子阱的能带结构，因而能够调节光电探测器的光谱响应波段，这有助于多光谱红外探测器整体集成的实现，其与高速GaAs多路复用器和其他电子产品的整体集成也成为可能。
目前，通过应用k·p模型求解量子阱中本征态能级的经典方法(比如S.L.Chuang的教科书《Physics of Optoelectronic Devices》中就有关于k·p模型的讲解)调节能带结构，采用GaAs衬底的量子阱红外光电探测器能够涵盖3-5以及8-12μm的大气窗口波段。而对于热门的光通讯波段，能够探测1.31-1.55μm红外波长的量子阱红外探测器很受期待。由于具有很短的载流子寿命，基于子带间跃迁的量子阱红外光电探测器能够提供比带间跃迁更高的响应速度，因此以子带间跃迁为基础的量子阱红外探测器成为研究热门。近年来，出现了很多以GaAs为衬底并采用单量子阱(SQW)结构，InGaAs/AlGaAs系统的半导体量子阱光电探测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法，其探测波长能够达到1.31μm或更短波长，并且具有很强的波长可调性以及更快的响应速度。
为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
这种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，它包括：电源、金属接触层及核心部件，其特征在于：所述的核心部件包括：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由下至上依次逐层生长的：
n型掺杂的GaAs缓冲层；
n型掺杂的GaAs下接触层；
双垒结构的多量子阱层核心工作区：以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；
n型掺杂的GaAs上接触层；
所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1-zAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个。
双垒量子阱采用了两种材料做势垒，一种势垒材料能够提供极宽的禁带，另一种势垒材料提供稍窄的禁带，由此形成复合势垒。
我们采用的材料系统引入了氮元素，即InxGa1-xAs1-yNy/AlAs/AlzGa1-zAs异质结。相比于无氮元素的InGaAs材料系统，仅加入很少量氮原子的材料系统就能够快速减小禁带宽度，同时降低了势阱层的压应变。氮的另外一种特性是它的加入只影响导带偏移量而不影响价带偏移量。在铟(In)组分不变的情况下，仅加入2％的氮元素就可以使导带偏移量增加200meV.正是因为氮元素同时具备了以上的优点，使得InxGa1-xAs1-yNy/AlzGa1-zAs的系统有可能达到导带偏移量1.5eV，并由此可以取得1.31μm甚至更短的响应波长。
由于在InGaAs/AlGaAs材料系统中加入氮(N)元素的InGaAsN/AlAs/AlGaAs双垒量子阱(DBQW)结构具有相比于SQW的不对称性以及内建电场，这种结构能够产生更低的暗电流以及光电压效应，因此我们采用这种新颖的结构进行半导体量子阱光电探测器的设计制作。
本发明的双垒量子阱红外光电探测器的工作原理为：异质结是量子阱能够工作的主要原因。异质结是由两种不同的半导体材料(比如本发明中的InGaAsN，AlAs，AlGaAs，GaAs等)交替生长形成的。由于这两种材料具有不同的带隙或能带结构，并且在每一层材料厚度足够薄时，在异质结界面将发生能带的不连续分裂，也就是出现了量子效应。量子阱是由两层较宽带隙的材料包夹一层较窄带隙的材料而形成的，并且阱宽极薄，电子和空穴的分裂能级被束缚在势阱里。而双垒量子阱结构有部分电子和空穴分裂能级被局限在较宽的势垒里面，同时对势阱中的能级形成支撑和排斥的效应，因此本发明的势阱中的激发态能级能量更高，相对应的从基态到激发态的电子跃迁能量差更大，激发的光波长更短。这一结构在外加偏置电压的情况下形成光电流，通过对光电流的采集和分析，可实现对红外光的探测。本发明的最终实验结果与理论计算结果一致，能够有效实现对光通讯波段波长的探测。
A.设计过程：
此双垒量子阱结构的本征态能级满足薛定谔方程式：
HΨ＝EΨ    (1)
其中，Ψ是总波函数。在求解过程中，我们应用k·p模型。其中量子阱的十维电子和空穴包络波函数可以写成：
Φ n = { Φ n j } . ( j = 1,2 , . . . , 10 ) , - - - ( 2 )
其中每一个分量
Figure BDA0000117051310000042
可由下式表达：
Figure BDA0000117051310000043
其中L＝ww+2bw1+bw2表示双垒量子阱的一个周期。我们用ww表示中心阱宽，bw1和bw2分别表示内和外垒层的宽度。kx，ky，和kz表示波矢，n是每一个能级的系数，是展开系数，z是在生长方向上的坐标。总的波函数Ψ是公式(2)中的包络波函数与Bloch基函数在空间中心的周期部分uj的乘积。通过优选In(x)，N(y)，和Al(z)的组分，ww，bw1和bw2的值以及其他一些参数，我们能够通过求解方程式(1)，得出导带中每一个能级的能量水平，通过计算电子从基态到激发态能级间跃迁的能量差来换算出对应的光激发波长，如果此波长在1.31-1.55μm范围之内，即满足我们的设计要求。
B.设计结构：
本发明提供了一种双垒量子阱红外探测器，包括：
GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)由下至上依次逐层生长的：
n型掺杂的GaAs缓冲层；
n型掺杂的GaAs下接触层；
双垒结构的多量子阱层核心工作区-最外一层较厚势垒中间一层较薄势垒包夹一层势阱，交替生长多个周期形成的；
剩余最外一层势垒层；
n型掺杂的GaAs上接触层；
其中，所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1-zAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个；
所述GaAs缓冲层，接触层进行n型掺杂，所搀杂质为硅，其掺杂浓度在1×1018cm-3；
所述量子阱层进行n型掺杂，所搀杂质为硅，其掺杂浓度在1×1018cm-3；
优选地，所述势垒，势阱层厚度由设计过程计算导出，其中ww的范围在2～5nm，bw1的范围在1～2nm，bw2的范围在20～30nm；
所述势垒，势阱高度通过调节In(x)，N(y)，Al(z)组分并经设计过程计算导出，x的范围在0.1～0.5，y的范围在0.001～0.015，z的范围在0.1～0.3。
随着势阱、势垒、x、y、z的变化，相应的吸收波长以及响应速度会随之变化。
x、y、z的数值是各元素对应的百分比，比如，In(x＝0.1)即In在化合物中所占III族元素的比例为10％，Ga(1-x＝0.9)即Ga在化合物中所占III族元素的比例为90％，以此类推。由于是III-V族化合物，所以III族和V族元素相加的总和各设定为100％，III对V族元素总比例即为1∶1。这是半导体量子阱结构的通用表示方法。
我们的设计采用的是子带间跃迁，相对于传统的带间跃迁量子阱结构，其优势正是载流子寿命短而响应速度快。
核心工作区在450～500℃条件下生长，接触区在550～600℃范围条件下生长。
本发明具有以下优点：
1)、在以GaAs为衬底的半导体材料系统中，相比于传统的GaAs/AlGaAs材料系统，InGaAsN/Al(Ga)As系统能够提供对更短光波长的探测能力。
2)、本发明中的双垒量子阱结构，能够使阱中激发态的能级得到外垒中能级的支撑而达到更高的能量，由此能够得到比单垒量子阱结构更短的波长响应，因此半导体量子阱红外探测器能够工作于1.31μm左右的光通讯波段，并且具有很强的波长可调性以及更快的响应速度。我们的设计采用的是子带间跃迁，相对于传统的带间跃迁量子阱结构，其优势正是载流子寿命短而响应速度快。
3)、通过测量光电流，本发明的半导体量子阱红外探测器在1.24μm左右展现出峰值，这一结果与我们的模拟计算结果基本相符，理论设计得到实验的验证。
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：本发明的双垒量子阱结构红外光电探测器结构示意图。
图2：本发明的核心工作区双垒量子阱结构示意图。
图3：本发明的双垒量子阱结构红外光电探测器所测出的光电流谱线示意图。
图2中，1为衬底，2为核心部件，3为金属连接层，4为45°倒角。图3中，横座标为波长，纵座标为光电流。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明所提出的双垒量子阱红外光电探测器利用GaAs材料为衬底1，应用固态分子束外延生长方法(SS-MBE)在半绝缘的(001)方向的衬底上生长出以下工作区：
一层掺杂硅的缓冲层21，掺杂浓度为2×1018cm-3，厚度为0.5μm；按照外势垒，内势垒，势阱，内势垒交替生长10个周期的双垒多量子阱层工作区2，其中每个周期沿生长方向依次包括一个AlzGa1-zAs外势垒层22，一个AlAs内势垒层23，一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层24，一个AlAs内势垒层23；
根据目标为1.31μm探测波长的优选设计，最终生长出来的外势垒层22的厚度为13.1nm，内势垒层23的厚度为1.3nm，势阱层的厚度为2.3nm，并掺杂1×1018cm-3的硅杂质，InxGa1-xAs1-yNy的组分为x＝0.292，y＝0.015，AlzGa1-zAs的组分为z＝0.3；
一层AlzGa1-zAs外势垒层22，厚度为13.1nm；
一层掺杂硅的上电极层21，掺杂浓度为2×1018cm-3，厚度为0.5μm；
工作区结构是在Riber MBE 32系统中生长完成的，氮元素由射频等离子辅助源提供，其能量为500W，氮气流速为4.5sccm，离子束电流大约为10mA，生长速率大约为0.2μm/h。As来自于As2并由裂解炉在1.5×10-5torr的压力下产生，其他元素均由束源炉产生。AlAs层和AlGaAs层的生长速率分别为0.43μm/h和1μm/h。
考虑到作者Pan Z提出的，在400到500℃之间，氮元素加入浓度的变化与温度的变化基本无关，由于氮元素加入的浓度相比其他元素小得多，其微小的变化即会引起吸收波长的变化。因此我们要在氮浓度变化相对稳定的温度范围内生长InxGa1-xAs1-yNy阱层，即在400-500℃范围选取。根据Pan Z的实验结果，460℃时能够出现光荧光光谱(photoluminescence)的峰值，所以核心工作区选定在460℃条件下生长。而接触区仍旧在590℃的GaAs普适温度条件下生长。
如图3所示，我们在电压为0.5～2V的条件下测量了双垒量子阱红外光电探测器的光电流谱线。三个主峰从左到右依箭头对应1.24，2.03，和3.89μm。1.24μm的测量结果与我们的理论计算结果1.3μm基本一致，说明本发明能够满足我们的设计要求。

Claims (7)

1.一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，它包括：电源、金属接触层及核心部件，其特征在于：所述的核心部件包括：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由下至上依次逐层生长的：
n型掺杂的GaAs缓冲层；
n型掺杂的GaAs下接触层；
双垒结构的多量子阱层核心工作区：以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；
n型掺杂的GaAs上接触层；
所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1-zAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个。
2.如权利要求1所述的一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，其特征在于，所述GaAs缓冲层，接触层进行n型掺杂，所搀杂质为硅；所述量子阱层进行n型掺杂，所搀杂质为硅。
3.如权利要求1所述的一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，其特征在于，中心阱宽ww的范围在2～5nm，内垒层宽度bw1的范围在1～2nm，外垒层宽度bw2的范围在20～30nm；所述外势垒，内势垒，势阱中的In(x)，N(y)，Al(z)，其x数值的范围在0.1～0.5，y的范围在0.001～0.015，z的范围在0.1～0.3。
4.一种权利要求1所述的双垒量子阱结构半导体红外光电探测器的制造方法，其特征在于，它包括以下步骤：
(1)、通过优选In(x)，N(y)，和Al(z)的组分，ww，bw1和bw2的值以及其他一些参数，求解薛定谔方程式(1)，得出导带中每一个能级的能量水平，通过计算电子从基态到激发态能级间跃迁的能量差来换算出对应的光激发波长；
(2)、以GaAs为衬底层，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由下至上依次逐层生长的：
n型掺杂的GaAs缓冲层；
n型掺杂的GaAs下接触层；
双垒结构的多量子阱层核心工作区：以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；
n型掺杂的GaAs上接触层；
所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1-zAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个；
5.一种权利要求1所述的双垒量子阱结构半导体红外光电探测器的制造方法，其特征在于，ww的范围在2～5nm，bw1的范围在1～2nm，bw2的范围在20～30nm；所述势垒，势阱高度通过调节In(x)，N(y)，Al(z)来实现，x的范围在0.1～0.5，y的范围在0.001～0.015，z的范围在0.1～0.3；
6.如权利要求4所述的红外光电探测器的制造方法，其特征在于，核心工作区在450～500℃条件下生长，接触区在550～600℃范围条件下生长。
7.如权利要求4或5所述的获得权利要求1所述的半导体双垒量子阱红外探测器的方法，其特征在于所述GaAs缓冲层，接触层进行n型掺杂，所搀杂质为硅，其掺杂浓度在1×1018cm-3；所述量子阱层进行n型掺杂，所搀杂质为硅，其掺杂浓度在1×1018cm-3。
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C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C53 Correction of patent of invention or patent application
CB02 Change of applicant information

Address after: 100088 Beijing city Xicheng District Xinjiekou Avenue No. 2

Applicant after: YOUYAN NEW MATERIAL CO., LTD.

Address before: 100088 Beijing city Xicheng District Xinjiekou Avenue No. 2

Applicant before: GRINM Semiconductor Materials Co., Ltd.

COR Change of bibliographic data

Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS CO., LTD. TO: GRINM ADVANCED MATERIALS CO.,LTD.

ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: GRINM SEMICONDUCTOR MATERIALS CO., LTD.

Free format text: FORMER OWNER: GRINM ADVANCED MATERIALS CO., LTD.

Effective date: 20150618

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20150618

Address after: 101300 Beijing city Shunyi District Shuanghe Linhe Industrial Development Zone on the south side of the road

Applicant after: You Yan Semi Materials Co., Ltd.

Address before: 100088 Beijing city Xicheng District Xinjiekou Avenue No. 2

Applicant before: YOUYAN NEW MATERIAL CO., LTD.

C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20130612