CN103247637A - 红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器，包括衬底、第一量子点探测结构、第二量子点探测结构，其特征在于：所述第一量子点探测结构主要由N+下接触层、第一量子点有源区、第一N+中间接触层构成，所述第二量子点探测器结构主要由第二N+中间接触层、第二量子点有源区、N+上接触层结构，各接触层上设有对应的引出电极，其特征在于在所述第一量子点探测器结构和第二量子点探测器结构之间，设置有P+公共接触层，所述P+公共接触层设有公共电极，所述各层依次叠合连接构成一体结构。该探测器的五个电极和差分放大电路互连，分别测量两个量子点红外探测器产生的电子电流和空穴电流，具有双色探测、抗光盲和抗辐照功能。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测器技术领域，具体涉及一种抗辐照和抗光盲双色量子点红外探测器及其制作方法。
背景技术
目前，红外探测器在红外夜视、红外制导、军事侦察、火灾预警、火山和矿藏信息采集、天文学研究及癌症诊断等方面有很高的应用价值。而双色红外探测器，可以根据观测目标的特征温度，选择最敏感的工作波长，获取高清晰的红外辐射信息。
当红外探测器在太空中工作时，将不可避免地受到高能电子、质子，α、β、γ射线和x射线的照射，产生辐射损伤，并导致器件性能降低。这些高能粒子辐射与红外探测器的互相作用主要表现为两种形式：⑴电离和激发过程，该过程会对半导体材料的电学性质产生瞬间扰动，使红外探测器产生噪声信号；⑵原子移动过程，该过程可以使半导体材料中的原子发生位移，形成位错等缺陷，给红外探测器造成永久损伤，降低红外探测器的工作性能，甚至导致器件失效。因而，需要寻求抗辐射的红外探测器。
现有的红外探测器中，碲镉汞（HgCdTe）红外探测器和GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的工作性能达到了很好的水平，但是前者受到高能粒子轰击会发生原子位移，产生很多缺陷，后者不能直接吸收正入射红外辐射光子，需要制作复杂的表面光栅来增强光耦合。还有一种是量子点红外探测器，由于半导体量子点中载流子受到三维量子限制作用而处于分立子能级上，引出量子点红外探测器能够直接吸收正入射的红外辐射光子而发生子能级跃迁，把红外辐射信号转换成光电流或者光伏信号；此外，量子点中载流子处于分立子能级的特点使得量子点红外探测器具有较高的工作温度。通过改变材料组分和量子点的尺寸可以调节III-V族半导体量子点中的子能级，从而得到工作波长处于中波红外窗口（3~5μm）和长波红外窗口(8~14μm)或者其它两个不同波长红外波段的量子点红外探测器。我们将两种不同材料组分和尺寸的量子点组成的量子点有源区迭加在一起可以实现对两个波段红外辐射信号的探测，制备出双色量子点红外探测器。
由于III-V族半导体材料具有很高的结晶质量和很强的化学键，能够承受高能粒子辐射而不产生原子位移过程，上述量子点红外探测器可以解决前述高能粒子辐射产生的第（2）点影响。但是高能电子、质子以及α、β、γ射线和x射线的照射仍然会导致III-V族半导体材料发生电离和激发过程，使红外探测器产生噪声信号。
因而，如果能解决高能粒子辐射造成的红外探测器噪声问题，就能获得一种可适用于太空中工作的红外探测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种适于在太空环境下工作的抗辐照和抗可见光致盲的量子点红外探测器；本发明的另一目的是提供该抗辐照和抗可见光致盲量子点红外探测器的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种红外探测器，包括半绝缘砷化镓单晶衬底以及依次形成于所述半绝缘砷化镓单晶衬底上的n+下接触层、第一量子点有源区、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层、第二量子点有源区和n+上接触层，所述的n+下接触层、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层和n+上接触层上分别形成有下电极、第一中间电极、公共电极、第二中间电极以及上电极。
作为本发明的进一步改进，所述的第一n+中间接触层和第二n+中间接触层的厚度小于空穴载流子的扩散长度。
作为本发明的进一步改进，所述空穴载流子的扩散长度Lh是工作温度T的函数，满足Lh=Lo*exp(T/To)，其中经验常数Lo=60nm，特征温度To=87K。
作为本发明的进一步改进，所述的第一量子点有源区或第二量子点有源区包括砷化镓势垒层和自组织形成的铟镓砷量子点层。
作为本发明的进一步改进，所述的铟镓砷(InyGa1-yAs)量子点层中掺杂有硅元素，其中0.3≤y＜1，该量子点超晶格周期数至少为1。
作为本发明的进一步改进，所述n+下接触层和n+上接触层均为p型III-V族半导体外延层，它们的禁带宽度分别大于第一n+中间接触层和第二n+中间接触层的禁带宽度，该n+下接触层和n+上接触层分别收集第一量子点有源区和第二量子点有源区中的空穴载流子。
作为本发明的进一步改进，所述第一n+中间接触层和第二n+中间接触层均为半导体材料外延层，该第一n+中间接触层和第二n+中间接触层构成电子发射极。
作为本发明的进一步改进，所述p+公共接触层为半导体外延层，其禁带宽度大于第一n+中间接触层和第二n+中间接触层的禁带宽度，所述的p+公共接触层分别与第一n+中间接触层和第二n+中间接触层形成P-N结，该p+公共接触层收集第一量子点有源区和第二量子点有源区产生的空穴载流子。
作为本发明的进一步改进，所述上电极、第一中间电极、公共电极、第二中间电极以及下电极分别接到差分放大电路上，交替地采集第一量子点有源区和第二量子点有源区的电子、空穴载流子及相应的光伏信号。
相应地，本发明还公开了一种上述的红外探测器的制作方法，包括：在半绝缘砷化镓单晶衬底上依次生长n+下接触层、第一量子点有源区、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层、第二量子点有源区和n+上接触层，以及在n+下接触层、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层和n+上接触层上分别形成有下电极、第一中间电极、公共电极、第二中间电极以及上电极。
相应地，本发明还公开了一种上述的红外探测器的制作方法，包括：
（1）在半绝缘III-V族半导体单晶衬底上生长n+下接触层；
（2）在n+下接触层上生长第一量子点有源区，该第一量子点有源区的生长方法选自过程a或b，其中：
过程a，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后在势垒层上自组织生长一层高密度的III-V族半导体量子点作为种子层；在该种子层上生长一薄层III-V族半导体间隔层之后，再制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
过程b，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
（3）在第一量子点有源区上生长n型半导体外延层作为第一n+中间接触层；
（4）在第一n+中间接触层上生长p型宽禁带半导体外延层作为p+公共接触层；
（5）在p+公共接触层上生长n型半导体外延层作为第二n+中间接触层；
（6）在第二n+中间接触层上生长第二量子点有源区，该第二量子点有源区的生长方法选自过程①或②，其中：
过程①，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后在势垒层上自组织生长一层高密度的III-V族半导体量子点作为种子层；在该种子层上生长一薄层III-V族半导体间隔层之后，再制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
过程②，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
（7）在第二量子点有源区上生长n型半导体外延层作为n+上接触层；
（8）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器的n+上接触层开始，刻蚀到衬底，形成独立的抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器单元；
（9）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到N+下接触层，形成下电极台面；
（10）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到第一n+中间接触层，形成第一中间电极台面；
（11）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到n+公共接触层，形成公共电极台面；
（12）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到第二n+中间接触层，形成公共电极台面；
（13）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的公共电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的其它区域；然后在探测器单元上沉积p型电极材料并剥离多余的p型电极材料，形成公共电极；
（14）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的下电极图形、第一中间电极图形、第二中间电极图形和上电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的公共电极及其它区域；然后在探测器单元上沉积n型电极材料并剥削多余的n型电极材料，形成下电极、第一中间电极、第二中间电极和上电极；
（15）在快速热退火炉中对p型电极材料和n型电极材料进行合金处理。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1. 本发明将两个具有P+公共接触层的P-N-N结构量子点红外探测器叠加，它不仅能够直接吸收正入射的红外辐射光子，而且具有双色探测、抗光盲和抗辐照功能。
2. 本发明结合了量子点红外探测器可以直接吸收正入射红外辐射光子、工作温度高的优点，增加了P+公共接触层和公共电极，通过和差分放大电路互连即可实现抗辐射和抗光盲功能，结构简单，特别适合于在外太空工作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施例中制备的材料结构示意图；
图2是具体实施例中各个电极台面示意图；
图3是具体实施例中电极图形的俯视示意图；
图4是具体实施例中获得的抗辐照和抗光盲双色量子点红外探测器单元管芯的截面图。
具体实施方式
本发明的总体构思是，高能电子、质子以及α、β、γ射线和x射线的照射会导致III-V族半导体材料发生电离和激发过程，即半导体材料中的电子在高能量光子照射下发生带间跃迁，产生数目相等的电子和空穴载流子，形成测量噪声。由于这种干扰中，电子和空穴载流子是成对出现的，如果能把量子点红外探测器产生地电子电流和空穴电流分别测量出来，从总的电子电流中扣除空穴电流，就能获得量子点红外探测器吸收红外辐射光子产生的光电流，从而剥削、甚至消除了高能粒子照射引起的电离和激发过程对量子点红外探测器的干扰。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种抗辐射和抗光盲量子点红外探测器，包括衬底、用于探测第一红外波长区间的第二量子点探测器结构、用于探测器第二红外波长区间的第二量子点探测结构，所述衬底为半绝缘III-V族半导体单晶衬底，所述第一量子点探测结构主要由N+下接触层、第一量子点有源区、第一N+中间接触层构成，所述第二量子点探测器结构主要由第二N+中间接触层、第二量子点有源区、N+上接触层结构，各接触层上设有对应的引出电极，在所述第一量子点探测器结构和第二量子点探测器结构之间，设置有P+公共接触层，所述P+公共接触层设有公共电极，所述各层依次叠合连接构成一体结构。
上述技术方案提供了一种N-N-P-N-N结构抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器，由两个N-N型量子点红外探测器构成了双色量子点红外探测器，能够直接吸收两个波段的正入射红外辐射光子；同时，在两个量子点红外探测器之间插入P+公共接触层，用于收集两个量子点红外探测器产生的空穴载流子，N+接触层上和P+接触层形成P-N异质结，使每个N-N型量子点红外探测器变为具有抗辐射和抗光盲功能的N-N-P型和P-N-N型量子点红外探测器。使用时，五个电极和差分放大电路互连，分别收集两个量子点红外探测器产生的电子电流和空穴电流。三端结构器件，同时，两个量子点红外探测器合用一个N+公共接触层。两个量子点红外探测器交替工作，分别从上电极或下电极收集的电子电流扣除公共电极收集的空穴电流，就是相应的量子点红外探测器吸收红外辐射光子产生的光电流。由此削弱、甚至消除了高能粒子和高能射线照射引起的噪声信号。
上述技术方案中，所述N+下接触层为生长在半绝缘单晶衬底上的N型III-V族半导体外延层。
所述第一量子点有源区是III-V族半导体势垒层和量子点交叠形成的量子点超晶格结构，量子点夹层在半导体势垒层中或者生长在高密度量子点种子层上，其中量子点超晶格的周期至少为1。
所述第二量子点有源区是III-V族半导体势垒层和量子点交叠形成的量子点超晶格结构，量子点夹层在半导体势垒层中或者生长在高密度量子点种子层上，其中量子点超晶格的周期至少为1。
所述第一N+中间接触层和第二N+中间接触层均为N型半导体材料外延层，该第一N+中间接触层和第二N+中间接触层构成电子发射极。
上述技术方案中，所述P+公共接触层为P型半导体外延层，其禁带宽度大于第一N+中间接触层和第二N+中间接触层的禁带宽度。
上述技术方案中，所述P+公共接触层分别与第一N+中间接触层和第二N+中间接触层形成P-N结，该P+公共接触层分别收集第一量子点有源区和第二量子点有源区中的空穴载流子。
上述技术方案中，所述引出电极包括上电极、第一中间电极、公共电极以及下电极，各引出电极分别呈中空图形结构，使红外辐射光束正入射进入探测器中。
上述技术方案中，所述下电极、第一中间电极、公共电极以及上电极、第二中间电极和公共电极分别接到差分放大电路上，交替地采集第一量子点有源区和第二量子点有源区的电子、空穴载流子及相应的光伏信号。
上述技术方案在实际应用时，可以制作成单元管芯、线列型或焦平面阵列型探测器。
本发明的抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器，其制作方法包含如下步骤：
（1）在半绝缘III-V族半导体单晶衬底上生长n+下接触层；
（2）在n+下接触层上生长第一量子点有源区，该第一量子点有源区的生长方法选自过程a或b，其中：
过程a，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后在势垒层上自组织生长一层高密度的III-V族半导体量子点作为种子层；在该种子层上生长一薄层III-V族半导体间隔层之后，再制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
过程b，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
（3）在第一量子点有源区上生长n型半导体外延层作为第一n+中间接触层；
（4）在第一n+中间接触层上生长p型宽禁带半导体外延层作为p+公共接触层；
（5）在p+公共接触层上生长n型半导体外延层作为第二n+中间接触层；
（6）在第二n+中间接触层上生长第二量子点有源区，该第二量子点有源区的生长方法选自过程①或②，其中：
过程①，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后在势垒层上自组织生长一层高密度的III-V族半导体量子点作为种子层；在该种子层上生长一薄层III-V族半导体间隔层之后，再制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
过程②，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
（7）在第二量子点有源区上生长n型半导体外延层作为n+上接触层；
（8）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器的n+上接触层开始，刻蚀到衬底，形成独立的抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器单元；
（9）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到N+下接触层，形成下电极台面；
（10）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到第一n+中间接触层，形成第一中间电极台面；
（11）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到n+公共接触层，形成公共电极台面；
（12）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到第二n+中间接触层，形成公共电极台面；
（13）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的公共电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的其它区域；然后在探测器单元上沉积p型电极材料并剥离多余的p型电极材料，形成公共电极；
（14）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的下电极图形、第一中间电极图形、第二中间电极图形和上电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的公共电极及其它区域；然后在探测器单元上沉积n型电极材料并剥削多余的n型电极材料，形成下电极、第一中间电极、第二中间电极和上电极；
（15）在快速热退火炉中对p型电极材料和n型电极材料进行合金处理。
上述技术方案中，所述N+下接触层、第一量子点有源区、第一N+中间接触层、P+公共接触层、第二量子点有源区、第二N+中间接触层和N+上接触层分别采用分子束外延方法或者金属有机物化学气相沉积方法连续生长制备而成。
所述P+公共接触层是重掺杂受主元素的III-V族半导体外延层，它作为空穴载流子的收集极；所述N+下接触层、第一N+中间接触层、第二N+中间接触层和N+上接触层都是重掺杂施主元素的III-V族半导体外延层；第一N+中间接触层和第二N+中间接触层作为电子发射极，N+下接触层和N+上接触层作为电子收集极；所述第一N+中间接触层和第二N+中间接触层的厚度小于空穴载流子的扩散长度。采用较厚的N+下接触层不仅收集空穴载流子，而且能够消除探测器与衬底之间的界面缺陷。
其中，第一量子点有源区和第二量子点有源区中半导体势垒层的禁带宽度大于半导体量子点层的禁带宽度，两种量子点超晶格中不同周期的量子点层中宜采用浓度梯度渐变模式掺杂施主元素。如果第一量子点有源区和第二量子点有源区中引入量子点种子层，该量子点种子层应该具有高密度和宽禁带特征，而且半导体间隔层的厚度要适当，既保证半导体量子点层和量子点种子层发生应变耦合，又要避免两者相互混融。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图4所示，一种N-N-P-N-N结构的抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器，包括：衬底1、n+下接触层2、第一量子点有源区3、第一N+中间接触层8、P+公共接触层9、第二N+中间接触层10、第二量子点有源区11、N+上接触层16、下电极17、第一N中间电极18、公共电极19、第二中间电极20和上电极21，其中：
所述的衬底1为半绝缘GaAs单晶衬底，作为量子点红外探测器的载体；所述N+下接触层2是制作在衬底上的1.0μm厚的N型GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，作为第一量子点有源区3的电子收集极。
所述的第一量子点有源区3制作在n+下接触层2上。该第一量子点有源区3是由50nm的GaAS势垒层4，2nm的In0.5Al0.5As量子点种子层5，10nm的GaAs间隔层6和4nm的In0.4Ga0.6As量子点层7交叠形成10周期量子点超晶格，最后覆盖50nm厚的GaAs势垒层4。该量子点超晶格的In0.4Ga0.6As量子点层7中Si元素掺杂浓度自上而下从2.0*1018cm-3渐变至1.0*1017cm-3，它吸收波长在8~14μm大气窗口中的红外辐射光子。
所述的第一N+中间接触层8是厚度为100~145nm的N+型GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，它制作在第一量子点有源区3上，作为第一量子点有源区3的电子发射极。
所述的P+上接触层9是厚度为300nm的P+型Al0.2Ga0.8As外延层，其中Be元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1019cm-3，它制作在第一N+中间接触层8上，起到收集第一量子点有源区3和第二量子点有源区11中的空穴载流子的作用。
所述的第二N+中间接触层10是厚度为100~145nm的N+型GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，它制作在P+公共接触层9上，作为第二量子点有源区11的电子发射极。
所述的第二量子点有源区11制作在N+公共接触层10上。该第二量子点有源区11是由50nm的GaAs势垒层12，2nm的InAlAs量子点种子层13，10nm的GaAs间隔层14和2nm的In0.5Ga0.5As量子点层15交叠形成10周期量子点超晶格结构。最后覆盖50nm的GaAs势垒层12。该量子点超晶格的In0.5Ga0.5As量子点层15中Si元素掺杂浓度自下而上从2.0*1018cm-3渐变至1.0*1017cm-3，它吸收波长在3~5μm大气窗口中的红外辐射光子。
所述的N+上接触层是厚度为300nm的N+型GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，它制作在第二量子点有源区11上，作为电子收集极。
所述的下电极17是Au/Ge/Ni/Au合金层，它制作在N+下接触层2上。
所述的第一N中间电极18是Au/Ge/Ni/Au合金层，它制作在第一N+中间接触层8上。
所述的公共电极19是Ti/Pt/Au合金层，它制作在P+中间接触层9上。
所述的第二N中间电极20是Au/Ge/Ni/Au合金层，它制作在第二N+中间接触层10上。
所述的上电极21是Ti/Pt/Au合金层，它制作在N+上接触层16上。
其中下电极17、第一N中间电极18、公共电极19、第二N中间电极20以及上电极21都呈方框形，允许红外辐射光束正入射进入量子点红外探测器中。
将下电极17、第一N中间电极18、公共电极19、以及P上电极21、第二中间电极20和公共电极19分别同时连接到差分放大电路上，即可交替地采集第一量子点有源区和第二量子点有源区中的电子、空穴载流子及相应的光伏信号。
本实施例N-N-P-N-N结构抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器的制作方法，包括材料生长、光刻和干法刻蚀以及电极制作等过程。
参见附图1所示，材料生长过程是利用分子束外延方法完成的，包含如下步骤：
（1）在半绝缘GaAs单晶衬底1上生长厚度为1.0μm的N+型GaAs外延层作为N+下接触层2，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3。该N+型GaAs外延层的生长温度为580℃；
（2）将生长温度保持在500℃，在N+下接触层2上生长第一量子点有源区3。该第一量子点有源区3的生长过程是：
首先生长一层50nm的GaAs势垒层4，然后自组织生长一层2nm的In0.5Al0.5As量子点种子层5；在该种子层5上生长一层10nm的GaAs间隔层6之后，再制备4nm的In0.4Ga0.6As量子点层7。这四个过程的重复周期为10。最后再生长一层50nm厚的GaAs势垒层4。该量子点超晶格的In0.5Ga0.5As量子点层15中Si元素掺杂浓度自上而下从2.0*1018cm-3渐变至1.0*1017cm-3；
（3）在第一量子点有源区3上生长厚度为100~145nm的N+GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，作为第一N+中间接触8；
（4）在第一量子点有源区8上生长厚度为300nm的P型Al0.2Ga0.8As外延层，其中Be元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1019cm-3，作为P+公共接触层9；
（5）在P+公共接触层9上生长厚度为100~145nm的N+GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，作为第二N+中间接触10；
（6）在N+公共接触层10上生长第二量子点有源区11。该第二量子点有源区的生长过程是：
首先生长一层50nm的GaAs势垒层12，然后自组织生长一层2nm的In0.5Al0.5As量子点种子层13；在该种子层13上生长一层10nm的GaAs间隔层14之后，再制备2nm的In0.5Ga0.5As量子点层15。这四个过程的重复周期为10。最后再生长一层50nm厚的GaAs势垒层12。该量子点超晶格的In0.5Ga0.5As量子点层15中Si元素掺杂浓度自上而下从2.0*1018cm-3渐变至1.0*1017cm-3；
（7）在第二量子点有源区11上生长厚度为300nm的N+GaAs外延层，其中Si元素掺杂浓度为（0.1~2.0）*1018cm-3，作为N+上接触层16。
参见图2，光刻和干法刻蚀技术过程包含如下步骤：
（8）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器的N+上接触层16开始，刻蚀到衬底1，形成独立的抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器单元；
（9）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的N+上接触层16开始，刻蚀到N+下接触层2，形成下电极台面；
（10）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的N+上接触层16开始，刻蚀到第一N+中间接触层8，形成第一N中间电极台面；
（11）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的N+上接触层16开始，刻蚀到P+公共接触层9，形成公共电极台面；
（12）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的P+上接触层16开始，刻蚀到第二N+中间接触层10，形成第二中间电极台面；
参阅图3和图4，电极制作过程包含如下步骤：
（13）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的公共电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的其它区域；然后在探测器单元上沉积Ti/Pt/Au电极材料并剥离多余的Ti/Pt/Au电极材料，形成Ti/Pt/Au公共电极19；
（14）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的第一N中间电极图形、公共电极图形和第二N中间电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的P上电极、P下电极及其它区域；然后在探测器单元上沉积Au/Ge/Ni/Au电极材料并剥削多余的Au/Ge/Ni/Au电极材料，形成下电极17、第一N中间电极18、第二中间电极20和上电极21；
（15）在快速热退火炉中对Ti/Pt/Au电极材料和Au/Ge/Ni/Au电极材料进行合金处理。
本实施提供了一种N-N-P-N-N结构抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器，它既具有量子点红外探测器的优点，又具有双色探测功能和抗辐射和抗光盲特性。首先，由于半导体量子点中载流子受到三维量子限制作用而处于分立子能级上，因此量子点红外探测器能够直接吸收正入射的红外辐射光子而发生子能级跃迁，不用制作表面光栅来增强红外辐射光子与探测器有源区的光耦合；其次，通过改变材料组分和量子点尺寸将红外探测器的工作波长调节到中波红外窗口（3~5μm）和长波红外窗口(8~14μm)波段或者其它两个不同红外波段，从而实现双色量子点红外探测器；最后，本发明采用两个P-N-N结构量子点红外探测器叠加在一起，共用一个P+公共接触层。这两个光伏型量子点红外探测器交替地工作，其中光生电子电流和光生空穴电流的增益均为1，即带间跃迁产生的电子电流和空穴电流完全相等。把两个探测器的三个电极和差分放大电路互连，可以分别测量出高能电子、质子和α、β、γ射线和x射线辐照在红外探测器中引发的电子电流和空穴电流。根据差分放大电路从上电极或下电极获取的电子电流值减去从公共电极获取的空穴电流值即可得到相应量子点红外探测器中红外辐射引起的光电流值及对应的光伏信号。这样的两个P-N-N结构光伏型量子点红外探测器有效地消除了高能粒子和射线在量子点红外探测器中引发的噪声信号。该量子点红外探测器具有抗辐射和抗光盲功能，适用于太空环境中工作。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (11)
1.一种红外探测器，其特征在于：包括半绝缘砷化镓单晶衬底以及依次形成于所述半绝缘砷化镓单晶衬底上的n+下接触层、第一量子点有源区、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层、第二量子点有源区和n+上接触层，所述的n+下接触层、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层和n+上接触层上分别形成有下电极、第一中间电极、公共电极、第二中间电极以及上电极。
2.根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于：所述的第一n+中间接触层和第二n+中间接触层的厚度小于空穴载流子的扩散长度。
3.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述空穴载流子的扩散长度Lh是工作温度T的函数，满足Lh=Lo*exp(T/To)，其中经验常数Lo=60nm，特征温度To=87K。
4.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述的第一量子点有源区或第二量子点有源区包括砷化镓势垒层和自组织形成的铟镓砷量子点层。
5.根据权利要求4所述的红外探测器，其特征在于：所述的铟镓砷(InyGa1-yAs)量子点层中掺杂有硅元素，其中0.3≤y＜1，该量子点超晶格周期数至少为1。
6.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述n+下接触层和n+上接触层均为p型III-V族半导体外延层，它们的禁带宽度分别大于第一n+中间接触层和第二n+中间接触层的禁带宽度，该n+下接触层和n+上接触层分别收集第一量子点有源区和第二量子点有源区中的空穴载流子。
7.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述第一n+中间接触层和第二n+中间接触层均为半导体材料外延层，该第一n+中间接触层和第二n+中间接触层构成电子发射极。
8.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述p+公共接触层为半导体外延层，其禁带宽度大于第一n+中间接触层和第二n+中间接触层的禁带宽度，所述的p+公共接触层分别与第一n+中间接触层和第二n+中间接触层形成P-N结，该p+公共接触层收集第一量子点有源区和第二量子点有源区产生的空穴载流子。
9.根据权利要求2所述的红外探测器，其特征在于：所述上电极、第一中间电极、公共电极、第二中间电极以及下电极分别接到差分放大电路上，交替地采集第一量子点有源区和第二量子点有源区的电子、空穴载流子及相应的光伏信号。
10.一种权利要求1至9任一所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：在半绝缘砷化镓单晶衬底上依次生长n+下接触层、第一量子点有源区、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层、第二量子点有源区和n+上接触层，以及在n+下接触层、第一n+中间接触层、p+公共接触层、第二n+中间接触层和n+上接触层上分别形成有下电极、第一中间电极、公共电极、第二中间电极以及上电极。
11.一种权利要求1至9任一所述的红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
（1）在半绝缘III-V族半导体单晶衬底上生长n+下接触层；
（2）在n+下接触层上生长第一量子点有源区，该第一量子点有源区的生长方法选自过程a或b，其中：
过程a，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后在势垒层上自组织生长一层高密度的III-V族半导体量子点作为种子层；在该种子层上生长一薄层III-V族半导体间隔层之后，再制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
过程b，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
（3）在第一量子点有源区上生长n型半导体外延层作为第一n+中间接触层；
（4）在第一n+中间接触层上生长p型宽禁带半导体外延层作为p+公共接触层；
（5）在p+公共接触层上生长n型半导体外延层作为第二n+中间接触层；
（6）在第二n+中间接触层上生长第二量子点有源区，该第二量子点有源区的生长方法选自过程①或②，其中：
过程①，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后在势垒层上自组织生长一层高密度的III-V族半导体量子点作为种子层；在该种子层上生长一薄层III-V族半导体间隔层之后，再制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
过程②，首先生长一层III-V族半导体势垒层，然后制备III-V族半导体量子点层；上述过程的重复周期至少为1次，最后再生长一层III-V族半导体势垒层；
（7）在第二量子点有源区上生长n型半导体外延层作为n+上接触层；
（8）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器的n+上接触层开始，刻蚀到衬底，形成独立的抗辐射和抗光盲双色量子点红外探测器单元；
（9）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到N+下接触层，形成下电极台面；
（10）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到第一n+中间接触层，形成第一中间电极台面；
（11）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到n+公共接触层，形成公共电极台面；
（12）利用光刻和干法刻蚀技术，从量子点红外探测器单元的n+上接触层开始，刻蚀到第二n+中间接触层，形成公共电极台面；
（13）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的公共电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的其它区域；然后在探测器单元上沉积p型电极材料并剥离多余的p型电极材料，形成公共电极；
（14）利用光刻技术暴露出量子点红外探测器单元的下电极图形、第一中间电极图形、第二中间电极图形和上电极图形，并利用光刻胶保护好探测器单元的公共电极及其它区域；然后在探测器单元上沉积n型电极材料并剥削多余的n型电极材料，形成下电极、第一中间电极、第二中间电极和上电极；
（15）在快速热退火炉中对p型电极材料和n型电极材料进行合金处理。
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