CN103489937B - 一种非对称沟道量子点场效应光子探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非对称沟道量子点场效应光子探测器，所述光子探测器基于源漏沟道结构，且源漏沟道为非对称结构，所述源漏沟道的导电率由源漏电压进行自调控，光探测的敏感区域位于源漏沟道的中心。所述光子探测器的外延结构自衬底向上包括二维电子气形成层或二维电子空穴形成层、光吸收层、量子点电荷限制层和表面盖层，所述二维电子气形成层包括异质结和掺杂层。器件高灵敏度光传感功能在于：源漏之间几十到百纳米量级的导电通道的宽度将受到源漏电压的自身调控，二维电子气的临近位置的量子点在有光入射的情况下将限制单个的电荷，这将极大改变纳米沟道的开关状态，形成沟道电导的巨大变化，从而完成高灵敏度光探测。

Description

一种非对称沟道量子点场效应光子探测器
技术领域
本发明涉及高灵敏度光探测技术领域，具体是一种非对称沟道量子点场效应光探测器。
背景技术
弱光探测的应用范围十分广泛，如高分辨光谱测量、非破坏性物质分析、大气污染测控、生物化学发光、放射探测、天文观测、光时域反射等领域，这些领域对探测器的灵敏度提出了越来越高的要求，单光子的探测将是最终极的探测目标。
传统的光探测一般采用半导体PIN器件，器件由重掺的P和N做欧姆接触，中间的本征层做吸收区，电子空穴对在耗尽的吸收区产生分离，各自被电场扫出，在PN两极以电流的方式输出信号。PIN器件的特点是一个光子最多产生一个电子，器件的信号电流的大小正比于入射的光功率。器件的优点是暗电流较小，缺点是信号没有增益，探测灵敏度受限。APD器件具有内部的载流子倍增增益，但需要很大的工作电压同时增加了噪声。窄沟道量子点场效应的新型探测器基于载流子对沟道电导的巨大改变，从而获得对微弱信号甚至单光子的探测。
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可以进行弱光探测的器件结构，以解决普通探测器探测灵敏度较低的问题，达到fW光甚至单光子的高灵敏度探测。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提出一种非对称沟道量子点场效应光子探测器。
本发明公开的所述光子探测器基于源漏沟道结构，且源漏沟道为非对称结构，所述源漏沟道的导电率由源漏电压进行自调控，光探测的敏感区域位于源漏沟道的中心。
所述源漏沟道与外部自由空间之间以百纳米刻蚀槽隔离，源漏沟道具有单向电流导通性。
所述光子探测器的外延结构自衬底向上包括二维电子气形成层或二维电子空穴形成层、光吸收层、量子点电荷限制层和表面盖层，所述二维电子气形成层包括异质结和掺杂层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的非对称纳米沟道量子点场效应高灵敏度光探测的器件结构，通过对导电沟道耗尽状态进行优化控制从而进行更有效弱光探测，同时避免一般量子点场效应探测器沟道上金属栅对入射光信号的吸收和衰减，提高器件的量子效率。
本发明提供的非对称纳米沟道量子点场效应高灵敏度光探测的器件结构，通过量子点完成对光生载流子的限制，提高光生载流子的寿命，从而提高了单个光子产生的光电导增益，提高了光子探测的灵敏度。
本发明提供的非对称纳米沟道量子点场效应高灵敏度光探测的器件结构中采用了量子点完成对光生载流子的限制和光电导增益，其中自组织量子点可以采用局域化束缚能很高的结构，提高载流子在其中的寿命，在高温下完成单电荷的局域化，提供室温下单光子探测的可能方案。
本发明提供的非对称纳米沟道量子点场效应高灵敏度光探测的器件结构是一种易于平面集成的器件结构，有利于器件的二维平面集成，提供高灵敏度成像的方案，在荧光成像、深空探测等领域发挥更大的作用。
附图说明
图1是本发明实施例中非对称沟道量子点场效应光子探测器的器件表面结构图；
图2是本发明实施例中非对称沟道量子点场效应光子探测器的沟道截面图和光探测原理图。
图3是本发明实施例中非对称沟道量子点场效应光子探测器的外延结构图。
图4是本发明实施例中非对称沟道量子点场效应光子探测器的非对称源漏沟道的源漏电流随电压变化的模拟结果图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1是依照本发明优选实施的一种非对称纳米沟道量子点场效应光探测器的表面结构图。如图1所述，其为源漏电压0V下的表面结构。所述光子探测器基于源漏沟道结构，且源漏沟道为非对称结构，所述源漏沟道的导电率由源漏电压进行自调控，光探测的敏感区域位于源漏沟道的中心。所述光探测器器件两端为源漏电极，中间为源漏沟道，源漏沟道与外部自由空间之间以百纳米刻蚀槽隔离，源漏沟道具有单向电流导通性。所述刻蚀槽为2个L形沟槽，只有L沟槽中间很窄的区域是载流子可以穿越的区域，称之为源漏沟道。沟道中间区域为光敏感区域。此实施例中，二维电子气没有完全耗尽，还保留了一个很窄的源漏沟道，其为导电沟道。当漏源之间施加正电压的情况下，此实施例中沟道的耗尽层在漏源电压下变薄，沟道宽度变大，电子从源到漏通过沟道，形成沟道电流。当漏源之间施加负电压的情况下，此实施例中沟道的耗尽层在漏源电压下变厚，沟道宽度变小甚至完全耗尽，电子无法从源到漏通过沟道。所以源漏之间的沟道有效宽度受到源漏电压的控制，没有额外的栅，形成自栅控源漏沟道。所述刻蚀槽的侧壁垂直，槽内表面具有钝化的介质，源漏沟道外的区域与漏极拥有相同的势能，使得在正常工作状态下漏极与源漏沟道之间存在一定的电势差。源漏沟道的长度在百纳米到几个微米量级，宽度为几十到几百纳米量级，长度和宽度的组合使得源漏微分电导处于最大的状态，亦即沟道电流处于易于受到外界电场改变的临界状态。
图2示出了本发明提出的非对称纳米沟道量子点场效应光子探测器。如图2所示，该光探测器包括器件外延结构以及主体结构，其中所述器件的外延结构自衬底向上有形成的二维电子气形成层、光吸收层、量子点电荷限制层和表面盖层；所述二维电子气形成层包括异质结和掺杂层；所述主体结构为在所述外延结构的基础，以半导体工艺构建的一个以非对称沟道连接的源漏器件主体结构，光探测的敏感区域位于所述非对称沟道的中心。器件高灵敏度光传感功能在于：源漏之间几十到百纳米量级的导电通道的宽度将受到源漏电压的自身调控，二维电子气的临近位置的量子点在有光入射的情况下将限制单个的电荷，这将极大改变纳米沟道的开关状态，形成沟道电导的巨大变化，从而完成高灵敏度光探测。
二维电子/空穴气在零工作电压的状态下为完全耗尽或者非耗尽状态，并且耗尽状态可以被源漏电压调控。所述二维电子气/空穴气在零工作电压的状态下为临界状态，当光生空穴被限制量子点并屏蔽外在和内在电场时，改变二维电子气/空穴气的载流子密度和导电沟道电导，产生光电导增益，此时器件可以二工作在微小的工作电压下。所述源漏沟道与所述刻蚀槽的刻蚀深度在所述二维电子/空穴气之下，形成独立的非对称导电沟道。
本发明中给出了两个优选实施例，第一优选实施例为以GaAs为衬底的可见近红外波段探测器，第二优选实施例为以InP为衬底的近红外波段探测器。
根据第一优选实施例，本发明提出了一种非对称纳米沟道量子点场效应光探测器件结构，外延结构自GaAs衬底向上依次为：
(1)二维电子/空穴气形成层，包括异质结界面和掺杂层，对于异质结可以是GaAs/AlGaAs材料，或者是InGaAs/AlGaAs，δ掺杂位于宽禁带的AlGaAs层，自由电子来源于AlGaAs层中的Siδ掺杂，或者自由空穴来源于AlGaAs层中的P型δ掺杂；根据掺杂浓度不同δ掺杂距离异质结界面的距离为10nm～50nm；
(2)光吸收层，材料为GaAs基GaAs或者InGaAs材料；
(3)量子点电荷限制层，根据载流子在量子点中的寿命不同，量子点材料可选InAs/AlGaAs，InAs/InGaAs，GaAs/AlGaAs，GaSb/GaAs，InGaSb/GaAs，AlSb/GaAs等；
(4)表面层，一般为100nm～300nm的AlGaAs肖特基层，和表面GaAs盖层。
器件结构是以此外延结构为基础，以半导体刻蚀工艺刻蚀出几个微米宽的沟道，然后在此沟道上刻蚀出两个L沟槽进行修饰，形成源漏之间具有非对称载流子沟道的器件主体结构，刻蚀深度以大于从表面层到二维电子/空穴气导电层的距离为准。
根据第二优选实施例，本发明提出了一种非对称纳米沟道量子点场效应光探测器件结构，外延结构自InP衬底向上依次为：
(1)形成的二维电子/空穴气的异质结界面和掺杂层，对于异质结可以是InGaAs/InAlAs材料，自由空穴来源于InAlAs层中的N型或P型δ掺杂；δ掺杂位于宽禁带的InAlAs层，根据掺杂浓度不同δ掺杂距离异质结界面的距离为10nm～50nm；
(2)光吸收层，材料为InGaAs或者InGaAsP材料；
(3)量子点电荷限制层，根据载流子在量子点中的寿命不同，材料可选InAs/InP(InAs/InGaAs(P)，InAs/InAlAs，GaSb/InGaAs)等；
(4)表面层，一般为100nm～300nm的InAlAs肖特基层，和InGaAs表面盖层。
器件结构是以此外延结构为基础，以半导体刻蚀工艺刻蚀出几个微米宽的沟道，然后在此之上刻蚀出两个非对称L沟槽进行修饰，沟槽之间的载流子为连接源漏的载流子沟道，形成器件主体结构，刻蚀深度以大于从表面到二维电子/空穴气导电层的距离为准。
器件高灵敏度光传感功能在于：源漏之间几十到百纳米量级的导电通道的宽度将受到源漏电压的自身调控，在有光入射的情况下，沟道中吸收区吸收光子产生电子空穴对，电子和空穴在内建或者外加电场下分离，量子点将限制单个的光生载流子，从而改变耗尽电场或者通过静电引力改变纳米沟道的开关状态，形成沟道电导的巨大变化，从而完成高灵敏度光探测。
图3示出了本发明中GaAs基非对称纳米沟道量子点场效应光探测器的具体生长结构示意图。如图3所示，该方法包括：
首先，根据模拟优化的器件结构，采用MBE的方法完成器件外延生长，以GaAs基器件为例，该器件外延生长包括在GaAs衬底上自底向上依次生长：第一势垒层、重掺杂层、第二势垒层、吸收层、量子点层、第三势垒层和帽层。其中，所述衬底为砷化镓衬底；所述缓冲层是厚度为300nm的砷化镓；所述第一势垒层是厚度为500nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述重掺杂层是浓度为7.5×1013的硅重掺杂层；所述第二势垒层包括两层厚度均为15nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述吸收层是厚度为120nm的砷化镓；所述量子点层是砷化铟量子点层；所述第三势垒层包括一层厚度为30nm的砷化镓铝和一层厚度为120nm的砷化镓铝，其中铝组分为0.2；所述帽层是厚度为10nm的砷化镓。其中，所述第一势垒层、重掺杂层和第二势垒层为二维电子气形成层，所述吸收层为光吸收层，所述量子点层为量子点电荷限制层，所述第三势垒层和帽层为表面层。
在如上的结构中吸收层以上到帽层处于耗尽状态，二维电子气无电场，无耗尽。导电沟道临近空气沟槽的区域亦为表面耗尽状态，如图2所示。
在外延生长完成后，采用半导体工艺完成如图1所示的器件结构，包括：在源极和漏极蒸镀电极，进行电极退火形成源漏与导电沟道的欧姆接触；刻蚀L型沟槽完成非对称源漏沟道的制备；表面淀积氧化层进行表面钝化，完成整体器件结构。
图4示出了本发明中光探测器件中沟迫的自栅控性能。如图4所示，当漏源电压从负到正变化的时候，源漏沟道逐渐从耗尽状态变化到非耗尽的导电状态，源漏沟道电流随漏源电压逐渐增大，具有典型的单向电流导通性能。
在有光子照射到源漏沟道中时，由于吸收区处于耗尽状态，光吸收产生的电子空穴对在耗尽场下产生分离，电子被电场扫入二维电子气层，空穴向量子点层移动并最终被量子点俘获，空穴对耗尽场产生屏蔽作用，增加了导电沟道中电子的浓度，使得导电沟道的电导率增加，产生光生电流增益信号。由于量子点的基态到自由态之间的局域化束缚能很大，空穴在量子点中拥有较长的寿命，在空穴存续的寿命期间，源漏之间电子会持续地通过导电沟道，形成光电导增益。利用此器件结构，提高量子点质量和增加空穴局域化能量，有希望得到较高温度下单个光子的探测。
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，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 (11)

1.一种非对称沟道量子点场效应光子探测器，其特征在于，所述光子探测器基于源漏沟道结构，且源漏沟道为非对称结构，所述源漏沟道的导电率由源漏电压进行自调控，光探测的敏感区域位于源漏沟道的中心；所述源漏沟道与外部自由空间之间以百纳米量级刻蚀槽隔离，源漏沟道具有单向电流导通性；所述光子探测器的外延结构自衬底向上包括：
(1)形成的二维电子气或空穴气的异质结和掺杂层，所述异质结是InGaAs/InAlAs材料，当异质结中InAlAs材料为N型δ掺杂时，InGaAs材料中形成自由电子气；当InAlAs材料为P型δ掺杂时，InGaAs材料中形成自由空穴气；其中，δ掺杂位于宽禁带的InAlAs材料层，根据掺杂浓度不同δ掺杂距离所述异质结的界面的距离为10nm～50nm；
(2)光吸收层，材料为InGaAs或者InGaAsP；
(3)量子点电荷限制层，根据载流子在量子点中的寿命不同，材料为InAs/InP，InAs/InGaAsP，InAs/InAlAs或GaSb/InGaAs；
(4)表面层，为100nm～300nm的InAlAs肖特基层，和InGaAs表面盖层；
在有光入射的情况下，沟道中吸收区吸收光子产生电子空穴对，电子和空穴在内建或者外加电场下分离，量子点将限制单个的光生载流子，从而改变耗尽电场或者通过静电引力改变纳米沟道的开关状态，形成沟道电导变化，从而完成高灵敏度光探测。
2.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，二维电子气形成材料是GaAs/AlGaAs或InGaAs/AlGaAs，自由电子来源于AlGaAs层中的Si δ掺杂；表面层为AlGaAs和GaAs，以形成表面势垒和量子点层的耗尽，形成光电导增加的光探测器器件。
3.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，二维空穴气形成层的材料是GaAs/AlGaAs，自由空穴来源于AlGaAs材料中的P型δ掺杂；光吸收层是GaAs材料；量子点材料为InAs/AlGaAs、InAs/InGaAs、GaAs/AlGaAs、GaSb/GaAs、InGaSb/GaAs或AlSb/GaAs；表面层为AlGaAs 和GaAs，以形成表面势垒和量子点层的耗尽，形成光电导增加的光探测器器件。
4.根据权利要求1所述的光子探测器，二维空穴气在InGaAs/AlGaAs界面形成，自由空穴来源于AlGaAs层中的P型δ掺杂；吸收层是InGaAs吸收层；载流子限制量子点为InAs/GaAs、InAs/AlGaAs，InAs/InGaAs，GaAs/AlGaAs，GaSb/GaAs，InGaSb/GaAs，AlSb/GaAs自组织量子点；表面层为AlGaAs和GaAs，以形成表面势垒和量子点层的耗尽，形成光电导增加的光探测器器件。
5.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，二维电子气形成材料是InP基InGaAs/InAlAs材料，自由电子来源于InAlAs层中的N型δ掺杂；吸收层是InGaAs吸收层；量子点材料为InAs/InP、InAs/InGaAs、InAs/InAlAs或GaSb/InGaAs；表面层为InAlAs和InGaAs层，以形成表面肖特势垒和量子点层的耗尽，形成光电导增加的光探测器器件。
6.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，二维空穴气形成材料是InP基InGaAs/InAlAs，自由空穴来源于InAlAs层中的P型δ掺杂；吸收层是InGaAs材料或者InGaAsP材料；量子点材料是InAs/InP、InAs/InGaAs、InAs/InAlAs、GaSb/InGaAs；表面层为InAlAs和InGaAs层，以形成表面势垒和量子点层的耗尽，形成光电导增加的光探测器器件。
7.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，所述刻蚀槽的侧壁垂直，槽内表面具有钝化的介质，源漏沟道外的区域与漏极拥有相同的势能，使得在正常工作状态下漏极与源漏沟道之间存在一定的电势差。
8.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，二维电子气或空穴气在零工作电压的状态下为完全耗尽或者非耗尽状态，并且耗尽状态被源漏电压调控。
9.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，源漏沟道的长度和宽度的组合使得源漏微分电导处于最大的状态，亦即沟道电流处于易于受到外界电场改变的临界状态。
10.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，所述二维电子气或者空穴气在零工作电压的状态下为临界状态，当光生空穴被限制于量子点并屏蔽外在和内在电场时，改变二维电子气或空穴气的载流子密度和 导电沟道电导率，产生光电导增益，此时器件可以工作在微小的工作电压下。
11.根据权利要求1所述的光子探测器，其特征在于，所述源漏沟道与所述刻蚀槽的刻蚀深度在所述二维电子气或空穴气之下，形成独立的非对称导电沟道。
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