CN103346196A - 一种波长可调谐的多量子阱结构太赫兹探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，该探测器包括以c面GaN为衬底，在衬底上逐层生长未掺杂的GaN缓冲层、n型掺杂的GaN下欧姆接触层、先势垒后阶梯势阱交替生长的多周期量子阱结构、未掺杂的AlxGa1-xN势垒层、n型掺杂的GaN上欧姆接触层；利用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上生长出多量子阱结构，在导带中形成两能级结构；在太赫兹波入射下，电子从基态能级跃迁到激发态能级，并在外加电压下形成光电流，实现对太赫兹波的探测。本发明的优点在于：GaN基多量子阱太赫兹探测器能够在较高温度甚至室温下工作，无需制冷设备，该探测器还可以方便地实现较大范围内的波长调谐，使得其应用范围更加广泛。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子器件技术领域，特别是涉及到一种GaN基多量子阱太赫兹探测器。
背景技术
太赫兹波（THz）是指频率范围在0.1THz到10THz的电磁波，对应的波长范围为30微米到3000微米。在很长一段时间内，由于缺乏有效的太赫兹辐射及探测方法，人们对于该波段的电磁辐射性质的了解非常有限，以至于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近年来随着太赫兹技术特别是太赫兹辐射和探测技术的飞速发展，太赫兹技术在基础研究（电磁学、光学、半导体物理学、光电子学）和实际应用（成像、通讯、医学诊断、安检）等众多领域呈现了广阔的应用前景。
基于多量子阱结构子带间跃迁的太赫兹探测器已有十多年的发展历史，但由于生长工艺的限制，目前多量子阱有源区所采用的材料主要集中在铟镓砷/砷化镓（InGaAs/GaAs）、砷化镓/铝镓砷（GaAs/AlGaAs）等材料体系。然而GaAs基太赫兹探测器由于自身声子（纵光学声子能量36meV）原因，无法实现对8-12THz频率范围内太赫兹波的有效探测。而且由于GaAs的声子能量和室温热激发能(26meV)相差不多，因此很难实现探测器的室温工作，从而给实际应用带来了困难。GaN基多量子阱太赫兹探测器给人们带来了希望，基于GaN/AlGaN多量子阱结构的探测器不仅可以实现GaAs基探测器无法探测的高频率太赫兹波，而且还能在较高温度甚至室温下工作，并且通过改变外加偏置电压的大小还能实现探测波长的调谐。但是，不同于GaAs系列材料，GaN系列材料有着非常强的极化效应，包括本身存在的自发极化以及由应力导致的压电极化效应。这些极化效应变现为在多量子阱中存在极大的极化电场，从而使得能带发生倾斜，量子阱的有效势垒高度无法降低，导致电子能级间距无法到达太赫兹能量范围以内，也就无法实现太赫兹频率范围内的太赫兹波探测。因此，如何降低多量子阱中的极化电场，从而降低量子阱的有效势垒高度，实现太赫兹波的有效探测成了本领域一个亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明目的是在于解决以上所述的关键问题，提供一种波长可调谐的多量子阱结构太赫兹探测器，且能够在较高温度甚至室温下工作。
本发明的技术方案为：一种波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，该探测器包括以c面GaN 为衬底，在衬底上逐层生长的外延材料结构；该结构包括未掺杂的GaN 缓冲层、n型掺杂的GaN 下欧姆接触层、先势垒后阶梯势阱交替生长的多周期量子阱结构、未掺杂的AlxGa1-xN势垒层、n型掺杂的GaN上欧姆接触层；利用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上生长出多量子阱结构，在导带中形成两能级结构；在太赫兹波入射下，电子从基态能级跃迁到激发态能级，并在外加电压下形成光电流，实现对太赫兹波的探测。所述探测器结构所用材料为三族氮化物AlGaN材料体系。所述探测器在外加电场的调节下可实现探测波长的连续可调。
所述的多周期量子阱结构，每个周期包括一个未掺杂的AlxGa1-xN势垒层、一个n型掺杂的GaN势阱层和一个未掺杂的AlyGa1-yN阶梯阱层，GaN势阱层所掺杂质为硅，其掺杂浓度为1×1019~1×1020cm-3。
所述多周期量子阱结构的势阱宽度、势垒厚度、阶梯阱厚度和势垒高度根据所要探测的太赫兹波长而确定，所述周期性多量子阱结构AlxGa1-xN势垒层的厚度为3nm, GaN势阱层的宽度为3nm, AlyGa1-yN阶梯阱层的厚度为7nm, AlxGa1-xN势垒层Al组分为0.1，AlyGa1-yN阶梯阱层Al组分为0.05。
所述的多量子阱层的周期数为30~50。
所述n型掺杂的上下GaN 欧姆接触层的厚度为0.5μm~1μm，硅掺杂浓度为2×1019cm-3。
所述太赫兹探测器属于半导体电子子能带跃迁型探测器，采用周期性的AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN多量子阱结构器件，每个周期包含阶梯量子阱形成的两个子能级结构，其基态到第一激发态能级差为37.7meV。
本发明的优点在于：GaN基多量子阱太赫兹探测器能够在较高温度甚至室温下工作，无需制冷设备。相比之下，GaAs基多量子阱太赫兹探测器通常工作在低温条件下，需要安置在制冷机中。另外，该探测器还可以方便地实现较大范围内的波长调谐，使得其应用范围更加广泛。
附图说明
图1是本发明的器件结构示意图；
图2是本发明的能带结构示意图；
图3是本发明的峰值波长随外加电场的变化关系图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所提出的波长可调谐的多量子阱结构太赫兹探测器包括材料生长和器件制作两个步骤。
器件材料生长方面，以c面GaN为衬底，采用MOCVD生长技术逐层生长以下多层结构：
(1)一层未掺杂的GaN 缓冲层，厚度为2μm；
(2)一层n型掺杂的GaN 下欧姆接触层,其厚度为0.5μm~1μm，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为2×1019cm-3，在MOCVD系统中，所用杂质源为硅烷；
(3)先势垒后阶梯势阱交替生长的多量子阱层，多量子阱周期数为30~50。其中，所述的多量子阱结构，每个周期包含一个3nm厚的Al0.1Ga0.9N势垒层，一个n型掺杂的3nm厚的GaN 势阱层，掺杂浓度为1×1019cm-3,一个8nm厚的Al0.05Ga0.95N阶梯势阱层。势垒层厚度、势阱层宽度、阶梯势阱层厚度以及各层Al组分是根据所要探测的波长以及极化效应而设计的。
(4)一层未掺杂的Al0.1Ga0.9N势垒层，其厚度为3nm；
(5)一层n型掺杂的GaN上欧姆接触层，其厚度为0.5μm~1μm，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为2×1019cm-3。
器件制作方面：
(1) 采用标准光刻和RIE刻蚀工艺制作多个500μm×500μm大小矩形台阶状的芯片结构，其中刻蚀深度从顶部GaN上欧姆接触层刻蚀到底部GaN下欧姆接触层，形成GaN台面；
(2) 采用电子束蒸发工艺在台阶状芯片周围GaN下欧姆接触层上淀积Ti/Al/Ti/Au四层金属电极作为n型下电极；
(3) 采用电子束蒸发工艺在台阶面GaN上欧姆接触层上淀积Ti/Al/Ti/Au四层金属电极作为n型上电极，完成器件制作。
本发明的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器的工作原理为：将两种不同的半导体材料(AlxGa1-xN和GaN)交替生长形成周期外延层，如果这两种材料具有不同的带隙或者能带结构，在异质结面出将发生能带的不连续，不连续值的大小由相应的带隙差决定，从而形成势阱结构。当势阱的厚度小到可以与电子的波长比拟时，量子力学中的量子尺寸效应就显现了，势阱中的电子能量将不再连续而出现束缚的分立能级。通过调节势阱厚度和势垒高度，可以在势阱中形成多个能级。在这里，我们设计的势阱结构可以产生两个束缚的分立能级，如图2所示，并且两能级差为37.7meV，对应于9.2THz。当有太赫兹波入射时，电子会吸收一个光子从基态能级激发到激发态能级，激发态的电子在外电场作用形成电流，在外电路中产生光生电流信号，从而实现对太赫兹波的探测。另外，改变外加电场的大小，可以有效地改变量子阱的势能形状，根据量子限制斯塔克效应，电子的能级也会相应改变，因此吸收的光子能量也会改变，从而实现对探测波长的调谐。例如当外加电场从0kV/cm变化到190kV/cm，探测波长可从32.9μm变化到17.2μm，可调谐范围达15.7μm，如图3所示。
Claims (8)
1.一种波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：该探测器包括以c面GaN 为衬底，在衬底上逐层生长的外延材料结构；该结构包括未掺杂的GaN 缓冲层、n型掺杂的GaN 下欧姆接触层、先势垒后阶梯势阱交替生长的多周期量子阱结构、未掺杂的AlxGa1-xN势垒层、n型掺杂的GaN上欧姆接触层；利用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上生长出多量子阱结构，在导带中形成两能级结构；在太赫兹波入射下，电子从基态能级跃迁到激发态能级，并在外加电压下形成光电流，实现对太赫兹波的探测。
2.如权利要求1所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述探测器结构所用材料为三族氮化物AlGaN材料体系。
3.如权利要求1所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述探测器在外加电场的调节下可实现探测波长的连续可调。
4.如权利要求1或2所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述的多周期量子阱结构，每个周期包括一个未掺杂的AlxGa1-xN势垒层、一个n型掺杂的GaN势阱层和一个未掺杂的AlyGa1-yN阶梯阱层，GaN势阱层所掺杂质为硅，其掺杂浓度为1×1019~1×1020cm-3。
5.如权利要求4所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述多周期量子阱结构的势阱宽度、势垒厚度、阶梯阱厚度和势垒高度根据所要探测的太赫兹波长而确定，所述周期性多量子阱结构AlxGa1-xN势垒层的厚度为3nm, GaN势阱层的宽度为3nm, AlyGa1-yN阶梯阱层的厚度为7nm, AlxGa1-xN势垒层Al组分为0.1，AlyGa1-yN阶梯阱层Al组分为0.05。
6.如权利要求4所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述的多量子阱层的周期数为30~50。
7.如权利要求1或2所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述n型掺杂的上下GaN 欧姆接触层的厚度为0.5μm~1μm，硅掺杂浓度为2×1019cm-3。
8.如权利要求1所述的波长可调谐的多量子阱太赫兹探测器，其特征在于：所述太赫兹探测器属于半导体电子子能带跃迁型探测器，采用周期性的AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN多量子阱结构器件，每个周期包含阶梯量子阱形成的两个子能级结构，其基态到第一激发态能级差为37.7meV。
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