CN104659146A - 基于ⅱ型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器 - Google Patents
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Abstract
一种基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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，其制作在发射极上；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。本发明能够更好地影响双势垒结构的电势，进而增大光生电流，产生明显的可探测电信号。探测器在室温下具有很高的响应度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及近红外探测器，特别是指一种基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器。
背景技术
共振隧穿二极管具有高频率、低电压、负阻、用少量器件完成多种功能等优点，是当今最为成熟的纳电子器件之一。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，是唯一能用常规集成电路技术进行设计和制造的器件，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。但根据Moore定律，微电子器件在经过不断发展后，随着其尺寸的不断减小，最终会达到一个极限，届时将不得不放下先前迅猛发展的的势头，甚至会停顿下来。而这时，纳电子器件必将会取代微电子器件，标志着纳电子器件时代的到来。而共振隧穿二极管作为纳电子器件中的佼佼者，将会得到更多的关注与发展。
共振隧穿二极管近红外探测器主要通过光生载流子(空穴)堆积在势垒旁来改变双势垒单势阱的电势来影响电子隧穿势垒，从而获得更高的光电流。这在共振隧穿二极管电压电流曲线上主要表现为光致电流偏移(左偏)暗电流。如果能够实现将光生空穴最大化地堆积在双势垒单势阱旁(或内)，那么就能很好地改变其电势，从而实现更高灵敏度的探测。传统的共振隧穿二极管所采用的材料的能带匹配主要是I型能带匹配，主要是通过将光生空穴堆积在势垒以及集电极中间，来实现隧穿电流的增加。现如今共振隧穿二极管探测器想要实现高灵敏度的光电探测主要的方法是在势垒旁或势垒内生长量子点，通过量子点捕获载流子(空穴)来改变双势垒单势阱的电势，从而提高光电探测的灵敏度。但是在势垒旁或者势垒内生长量子点将会提高外延生长的难度，使得重复性难以得到保证。在势垒旁或者势垒内生长量子点，由于其所生长的量子点在形貌、尺寸等方面无法保证均匀，使得共振隧穿二极管性能稳定性无法保证。其次在外延层上生长量子点，由于晶格失配，可能将造成量子点后续外延层界面粗糙，这将会恶化共振隧穿二极管光电性能。最后，由于量子点对光生载流子的捕获，在量子点释放这些载流子时，将会产生很严重的后脉冲，使得探测噪声加大，给探测带来了难度。
上述所提到的通过在I型能带匹配的双势垒单势阱旁(或内)生长量子点是提高共振隧穿二极管探测器灵敏度的主要方法之一，但由于其本身所存在的种种不足在短时间内也无法完美解决，这也制约了高灵敏度共振隧穿探测器的发展。如何改变空穴的堆积来影响电子隧穿这是共振隧穿二极管光电探测的重点也是难点，也是人们研究所聚焦的一个地方。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，该探测器核心为基于II型能带匹配的双势垒单势阱结构的共振隧穿二极管。通过该结构，能够更好地堆积光生空穴以及通过光生空穴来影响双势垒单势阱的电势，从而提高光生电流，提高探测器的响应度和灵敏度。
本发明提供一种基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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，其制作在发射极上；
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I型能带匹配的双势垒单势阱结构变更为II型能带匹配的双势垒结构，能够提高堆积的空穴对双势垒结构电势的影响；
(2)通过外延生长一层较厚的吸收层提高了探测器的响应度；
(3)探测器能够在室温下有很高的响应度和灵敏度；
(4)共振隧穿二极管外延层无需生长量子点等外延结构，结构简单，异质界面平整，在工艺的重复性、可靠性以及探测性能上都有良好的保障；
(5)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是现有结构的能带示意图；
图3是本发明结构的能带示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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2×1018-5×1018cm-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AlGaSb或GaAsSb，厚度分别为5-10ML，该势阱层52的材料为In0.53Ga0.47As，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，其制作在双势垒层结构5上，所述吸收层6的材料为In0.53Ga0.47As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，现有结构的能带匹配为I型能带匹配。吸收层6产生的光生空穴在电场作用下向发射区3漂移，主要堆积于上势垒层53靠近吸收层6一侧。
请参阅图3所示，本发明结构的能带匹配为II型能带匹配。吸收层6产生的光生空穴在电场作用下向发射区3漂移，主要堆积于上势垒层53和下势垒层51。
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II型能带匹配的共振隧穿近红外探测器的方法。
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 AlGaSb下势垒层51、厚度为8nm In0.53Ga0.47As势阱层52、厚度为8ML AlGaSb上势垒层53，构成II型能带匹配的双势垒结构5，形成共振隧穿的条件；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II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器。
本发明提供的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器的外延结构能带示意图3所示，探测器工作时加正向偏压，近红外光从集电区7入射后，在吸收层6被吸收并产生光生电子空穴对。光生电子在电场作用下向集电区7方向漂移，光生空穴在电场作用下向发射区3方向漂移。但与图2所示的现有结构I型能带匹配的双势垒结构5不同，传统I型能带匹配的双势垒结构5主要是将光生空穴堆积于上势垒层53靠近吸收层6一侧。如图3所示，II型能带匹配的双势垒结构5中，光生空穴在电场作用下，向发射区3漂移过程中主要被上势垒层53和下势垒层51捕获，造成光生空穴的堆积，这种形式的空穴堆积能够发挥它的空间距离优势，在空间距离上使得空穴离双势垒结构5更近，能更大地改变双势垒结构5的电势，增大光生电流，使探测器在室温下具有很高的响应度和灵敏度。
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 (9)
1.一种基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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，其制作在发射极上；
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。
2.如权利要求1所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，其中衬底的材料为N+型InP。
3.如权利要求1所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，其中隔离层的材料为In0.53Ga0.47As，厚度为5-9nm。
6.如权利要求1所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，其中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AlGaSb或GaAsSb，厚度分别为510ML，该势阱层的材料为In0.53Ga0.47As，厚度为410nm。
7.如权利要求1所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，其中吸收层的材料为InGaAs或InGaNAs，厚度为500700nm。
8.如权利要求1所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，其中集电区的材料为n型In0.53Ga0.47As，掺杂浓度为n型2×10185×1018cm-3，厚度为80120nm。
9.如权利要求1所述的基于II型能带匹配的共振隧穿二极管近红外探测器，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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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150527 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |