CN104659145B - 低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器 - Google Patents

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Abstract

一种低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，包括：一衬底；一发射极接触层，其制作在衬底上；一发射区，其制作在发射极接触层上，发射极接触层另一侧形成一台面；一隔离层，其制作在发射区上；一双势垒结构，其制作在隔离层上；一吸收层，其制作在双势垒层结构上；一集电区，其制作在吸收层上；一上电极，其制作在集电区上；一下电极，其制作在发射极接触层另一侧的台面上。本发明可以进一步降低暗电流。通过使用本发明提出的npin型掺杂，基于共振隧穿二极管的近红外探测器将会得到低的暗电流。

Description

低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器
技术领域
本发明涉及近红外探测器，特指一种基于共振隧穿效应，可在室温下工作的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器。
背景技术
共振隧穿二极管是纳电子器件的优秀代表之一，在纳电子器件即将到来之际，拥有高频率、低电压、负阻、用少量器件完成多种功能等优点的共振隧穿二极管必将得到更多的关注与发展。共振隧穿二极管作为第一个集中研究的纳电子器件，与其他纳电子器件相比，其发展更早、更快、更成熟，更具有应用前景，现在主要用于探测器、振荡器、存储器和光电开关等中，是量子耦合器件及其电路发展的一个重要标志。
在微电子时代，低价格、高速度、高密度和高可靠性一直是人们所所追求的方向这也是电子器件发展的基础与核心。随着电子器件的不断发展，提出了“更小，更快，更冷”的要求。而当电子器件小到一定的程度后，电子器件以阵列的形式集成必将成为一种趋势与方向。
传统的共振隧穿二极管主要是以nin型掺杂半导体的形式存在，这种nin型结构在保证了高频率、低电压、微分负阻效应等优点，却也存在一些问题。在nin型掺杂结构中，因为其势垒较低以及费米能级和势阱基态能级较接近，使得通过双势垒单势阱结构的载流子很多，电流密度很大，这就造成了隧穿电流和噪声电流很大，器件输出的暗电流就会很大。当我们想要进行光电探测时，过大的暗电流可能会对探测信号的提取造成干扰。而当电子器件以阵列存在时，单片阵列上可能会存在多达几千甚至几万个单位器件，如果单位器件的输出暗电流很大，那么整个阵列的输出暗电流将会极其巨大，势必会对数据的提取造成困难，这显然不是我们希望看到的。这也极大地限制了共振隧穿二极管探测器的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测，其是通过npin型掺杂，可以得到低的暗电流。
本发明提供一种低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，包括：
一衬底；
一发射极接触层，其制作在衬底上；
一发射区，其制作在发射极接触层上，发射极接触层另一侧形成一台面；
一隔离层，其制作在发射区上；
一双势垒结构，其制作在隔离层上；
一吸收层，其制作在双势垒层结构上；
一集电区，其制作在吸收层上；
一上电极，其制作在集电区上；
一下电极，其制作在发射极接触层另一侧的台面上。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
(1)通过将nin型掺杂结构改为npin型结构，在外加偏压作用下，能够增大势垒高度，增加载流子通过难度，减小电流密度，降低暗电流；
(2)通过将nin型掺杂结构改为npin型结构，在器件内将会形成两个反向pn结，两个反向pn结将起到整流作用，进一步降低暗电流；
(3)本发明的npin型掺杂共振隧穿二极管探测器，其暗电流很小，将有利于将器件做成阵列形式；
(4)本发明的主体结构为共振隧穿二极管，这是电路中的一种常用元件，因此本发明便于与其它光电子器件集成。
附图说明
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，其中：
图1是本发明的结构示意图；
图2是传统的nin型掺杂共振隧穿二极管能带示意图；
图3是本发明提出的npin型掺杂共振隧穿二极管能带示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，包括：
一衬底1，所述衬底1的材料为N+型InP，主要作用是作为外延层生长的基底；
一发射极接触层2，其制作在衬底1上，所述发射极接触层2的材料为In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为n型2×1018-5×1018-3，厚度为400-600nm，主要作用是形成低电阻的发射极欧姆接触；
一发射区3，其制作在发射极接触层2上，发射极接触层2另一侧形成一台面21，所述发射极接触层的材料为In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为n型1×1018-5×1018cm-3，厚度为200-400nm，主要作用是形成共振隧穿二极管的发射区，使发射区的费米能级位于导带能级之上，以提供电子源；
一隔离层4，其制作在发射区3上，所述隔离层4的材料为In0.53Ga0.47As，厚度为5-9nm，主要作用是为了阻挡发射区3的杂质向双势垒结构5扩散；
一双势垒结构5，其制作在隔离层4上，所述双势垒结构5包括一下势垒层51、一势阱层52和一上势垒层53，该下势垒层51和上势垒层53的材料为AlAs，掺杂浓度为p型5×1017-5×118cm-3，厚度分别为5-10ML，该势阱层52的材料为In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为p型5×1017-5×118cm-3，厚度为4-10nm，双势垒结构5主要作用是形成共振隧穿的条件；
一吸收层6，其制作在双势垒结构5上，所述吸收层6的材料为InGaAs或InGaNAs，厚度为500-700nm，主要作用是吸收光源，产生电子-空穴对；
一集电区7，其制作在吸收层6上，所述集电区7的材料为n型In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为2×1018-5×1018cm-3，厚度为80-120nm，主要作用是形成低电阻的发射极欧姆接触；
一上电极8，其制作在集电区7上，所述上电极8的材料为TiPtAu，该上电极8的形状为环形，主要作用是形成电极，便于与外电路连接；
一下电极9，其制作在发射极接触层2另一侧形成一台面21，所述下电极9的材料为TiPtAu，主要作用是形成电极，便于与外电路连接。
请参阅图2所示，传统的nin型掺杂共振隧穿二极管能带结构，在偏压下双势垒结构能带并不会向上升高。
请参阅图3所示，本发明提出的npin型掺杂共振隧穿二极管能带结构，在偏压下双势垒结构能带会向上升高。
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。
需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种采用分子束外延技术，根据图1所示结构，制备低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器的方法。
首先在N+型InP衬底1上外延生长厚度为500nm、掺杂浓度为5×1018cm-3的n型In0.53Ga0.47As作为发射极接触层2，形成低电阻的发射极欧姆接触；接着外延生长厚度为300nm、掺杂浓度为2×1018cm-3的n型In0.53Ga0.47As作为发射区3，形成共振隧穿二极管的发射区，使发射区的费米能级位于导带能级之上，以提供电子源；然后外延生长厚度为7nm的In0.53Ga0.47As隔离层4，阻挡发射区3的杂质向双势垒结构5扩散；接下来依次外延生长厚度为8ML、掺杂浓度为2×1018cm-3的p型AlAl下势垒层51，厚度为8nm、掺杂浓度为2×1018cm-3的p型In0.53Ga0.47As势阱层52，厚度为8ML、掺杂浓度为2×1018cm-3的p型AlAs上势垒层53，构成一个p型掺杂的双势垒结构5，形成共振隧穿的条件，该双势垒结构5形成一个p型掺杂区，能使得势垒高度增加，且p型掺杂区能对使二极管形成两个相反的pn结，这两个反向pn结将会起到整流的作用；然后外延生长厚度为600nm的In0.53Ga0.47As吸收层6，吸收层6吸收光后，产生电子空穴对；接着外延生长厚度为100nm、掺杂浓度为2×1018-5×1018cm-3的n型In0.53Ga0.47As作为集电区7，形成低电阻的发射极欧姆接触；最后通过光刻后溅射剥离TiPtAu形成环形上电极8和下电极9，便于与外电路连接。通过上述材料外延以及工艺制备，可获得一个npin型掺杂的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器。
与传统的nin型掺杂共振隧穿二极管能带(如图2所示)不同，本发明提出的npin型掺杂共振隧穿二极管能带(如图3所示)在探测器工作时加正向偏压，此时p型掺杂区即双势垒结构5在正向偏压下，其能带将会向上偏移，造成势垒高度增加。势垒高度的增加将会增加载流子的通过难度，有效地降低了暗电流。如图3所示，npin型掺杂的共振隧穿二极管将会形成两个相反的pn结，这两个反向pn结将会起到整流的作用，进一步降低暗电流。通过使用本发明提出的npin型掺杂，基于共振隧穿二极管的近红外探测器将会得到低的暗电流。
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 (8)

1.一种低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，包括：
一衬底；
一发射极接触层，其制作在衬底上；
一发射区，其制作在发射极接触层上，发射极接触层另一侧形成一台面；
一隔离层，其制作在发射区上；
一双势垒结构，其制作在隔离层上，该双势垒结构包括一下势垒层、一势阱层和一上势垒层，该下势垒层和上势垒层的材料为AlAs，掺杂浓度为p型5×1017-5×1018cm-3，厚度分别为5-10ML，该势阱层的材料为In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为p型5×1017-5×1018cm-3，厚度为4-10nmm；
一吸收层，其制作在双势垒层结构上；
一集电区，其制作在吸收层上；
一上电极，其制作在集电区上；
一下电极，其制作在发射极接触层另一侧的台面上。
2.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中衬底的材料为N+型InP。
3.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中发射极接触层的材料为In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为n型2×1018-5×1018cm-3，厚度为400-600nm。
4.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中发射区的材料为In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为n型1×1018-5×1018cm-3，厚度为200-400nm。
5.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中隔离层的材料为In0.53Ga0.47As，厚度为5-9nm。
6.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中吸收层的材料为InGaAs或InGaNAs，厚度为500-700nm。
7.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中集电区的材料为n型In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为n型2×1018-5×1018cm-3，厚度为80-120nm。
8.如权利要求1所述的低暗电流的共振隧穿二极管高灵敏度探测器，其中上电极和下电极的材料为TiPtAu，该上电极的形状为环形。
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