CN105244391A - 一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器及其制备方法，所述宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器包括：衬底、下电接触层、第一多量子阱层、中电接触层、第二多量子阱层以及上电接触层。本发明具有以下有益效果：本发明的太赫兹量子阱光电探测器具有非常宽的响应谱，单个器件即可有效覆盖1.5~8THz频率范围，半高宽达2.84THz，比现有普通太赫兹量子阱光电探测器提升约89%。本发明结构和制作方法简单，效果显著，在半导体光电器件技术领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电器件技术领域，特别是涉及一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器及其制备方法。
背景技术
太赫兹(THz)波通常是指电磁波谱中频率从100GHz到10THz(1THz＝1012Hz)，相应波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间的电磁波谱区域。在过去很长的一段时间中，由于缺乏有效的THz源和高灵敏度的检测手段，这一频段一度被称为“太赫兹空白”。近年来，随着光子学和纳米技术领域的不断革新，新型的THz产生和探测手段不断出现，同时，由于THz技术在信息技术、国防安全、反恐、医疗成像、物质鉴别及环境监测等方面应用潜力巨大，关于THz的相关研究正逐步得到重视。
THz技术应用的核心部件之一是THz探测器。基于半导体周期性多量子阱结构的太赫兹量子阱光电探测器(THzQWP)于2004年研制成功。目前，THzQWP多数基于GaAs/AlGaAs材料体系，器件材料结构包括上电接触层和下电接触层，以及位于两者之间的十几到几十个周期的GaAs/AlGaAs多量子阱层，衬底为半绝缘GaAs。从工作原理上看，THzQWP是一种子带间跃迁型探测器，无光照时，电子处于量子阱的束缚态中；当THz光入射到器件光敏面上时，在THz光场作用下，量子阱中的电子吸收光场能量，由束缚态跃迁到连续态或准连续态，在外加偏压的作用下形成光电流，从而实现对THz波的探测。THzQWP的主要优点是灵敏度高、响应率大、响应速度快，响应频率在1.5～8THz之间，非常适合这一频段的高速无线通信、实时成像以及频谱分析等应用系统。
THzQWP是一种窄带探测器，目前，多数THzQWP响应谱的半高宽不超过1.5THz，这在一定程度上限制了频谱分析的应用。如果要分析较宽的THz谱，则需更换具有不同频率响应范围的THzQWP。而在其他一些应用中，如果要使用THz激光器，需要其激射频率落在THzQWP较窄的响应谱范围内，因而对激光器提出了较高的要求。
针对以上问题，本发明将给出一种具有宽响应谱THzQWP的设计方法，以满足更多的应用需求。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器及其制备方法，用于解决现有技术中太赫兹量子阱光电探测器频率响应范围不够宽的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，包括：衬底；下电接触层，结合于所述衬底表面；第一多量子阱层，结合于所述下电接触层表面，当其量子阱周期数N1所对应的峰值响应频率为f1，最大工作偏压为V1；中电接触层，结合于所述第一多量子阱层表面；第二多量子阱层，结合于所述中电接触层表面，当其量子阱周期数N2所对应的峰值响应频率为f2，最大工作偏压为V2；以及上电接触层，结合于所述第二多量子阱层表面；其中，f1<f2，且所述第一多量子阱层的实际量子阱周期数M1与所述第二多量子阱层的实际量子阱周期数M2满足：
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的一种优选方案，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的峰值响应频率及最大工作偏压由各自的多量子阱势阱的宽度、势垒的宽度、势垒的高度和多量子阱中的n型掺杂浓度以及多量子阱的周期数决定。
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的一种优选方案，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的周期性多量子阱结构中，势阱的材料为GaAs，势垒的材料为AlxGa1-xAs，0<x<1。
进一步地，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层中，势阱的中央区域均具有Si掺杂，该中央区域的厚度范围为8～12nm。
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的一种优选方案，所述下电接触层、中电接触层及上电接触层的材料为Si掺杂的GaAs，厚度范围为400μm～800μm。
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的一种优选方案，所述第一多量子阱层呈台阶状结合于所述下电接触层，以露出部分的下电接触层，该露出的下电接触层表面形成有下金属电极；所述第二多量子阱层呈台阶状结合于所述中电接触层，以露出部分的中电接触层，该露出的中电接触层表面形成有中金属电极；所述上电接触层表面形成有上金属电极；所述上金属电极及下金属电极通过金线焊接进行短接，两者共同成为器件的第一电极，而中金属电极层为器件的第二电极。
本发明还提供一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底表面依次形成下电接触层、第一多量子阱层、中电接触层、第二多量子阱层、以及上电接触层；2)去除部分的上电接触层以及第二多量子阱层，露出中电接触层；3)去除部分的中电接触层以及第一多量子阱层，露出下电接触层；4)制作光刻图形，于所述上电接触层、中电接触层及下电接触层表面沉积金属，并采用金属剥离的方法制作出上金属电极、中金属电极以及下金属电极；以及5)所述上金属电极及下金属电极通过金线焊接进行短接，两者共同成为器件的第一电极，而中金属电极层为器件的第二电极；其中，当所述第一多量子阱层的量子阱周期数N1所对应的峰值响应频率为f1，最大工作偏压为V1，当所述第二多量子阱层的量子阱周期数N2所对应的峰值响应频率为f2，最大工作偏压为V2，f1<f2，所述第一多量子阱层的实际量子阱周期数M1与所述第二多量子阱层的实际量子阱周期数M2满足：
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法的一种优选方案，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的峰值响应频率及最大工作偏压由各自的多量子阱势阱的宽度、势垒的宽度、势垒的高度和多量子阱中的n型掺杂浓度以及多量子阱的周期数决定。
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法的一种优选方案，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的周期性多量子阱结构中，势阱的材料为GaAs，势垒的材料为AlxGa1-xAs，0<x<1。
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法的一种优选方案，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的中央区域均具有Si掺杂，该中央区域的厚度范围为8～12nm。
作为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法的一种优选方案，所述下电接触层、中电接触层及上电接触层的材料为Si掺杂的GaAs，厚度范围为400μm～800μm。
如上所述，本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明的太赫兹量子阱光电探测器具有非常宽的响应谱，可有效覆盖1.5～8THz频率范围，半高宽达2.84THz，比普通太赫兹量子阱光电探测器提升约89％。本发明结构和制作方法简单，效果显著，在半导体光电器件技术领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1～图5显示为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法各步骤所呈现的结构示意图。
图6显示为本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的光电流响应谱图。
元件标号说明
101衬底
102下电接触层
103第一多量子阱层
104中电接触层
105第二多量子阱层
106上电接触层
107下金属电极
108中金属电极
109上金属电极
110金线
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图5所示，本实施例提供一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，包括：衬底101；下电接触层102，结合于所述衬底101表面；第一多量子阱层103，结合于所述下电接触层102表面，当其量子阱周期数N1所对应的峰值响应频率为f1，最大工作偏压为V1；中电接触层104，结合于所述第一多量子阱层103表面；第二多量子阱层105，结合于所述中电接触层104表面，当其量子阱周期数N2所对应的峰值响应频率为f2，最大工作偏压为V2；以及上电接触层106，结合于所述第二多量子阱层105表面；其中，f1<f2，且所述第一多量子阱层103的实际量子阱周期数M1与所述第二多量子阱层105的实际量子阱周期数M2满足：
作为示例，所述第一多量子阱层103及第二多量子阱层105的峰值响应频率及最大工作偏压由各自的多量子阱势阱的宽度、势垒的宽度、势垒的高度和多量子阱中的n型掺杂浓度以及多量子阱的周期数决定。
作为示例，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的周期性多量子阱结构中，势阱的材料为GaAs，势垒的材料为AlxGa1-xAs，0<x<1。
作为示例，所述第一多量子阱层及第二多量子阱层中，势阱的中央区域均具有Si掺杂，该中央区域的厚度范围为8～12nm。
作为示例，所述下电接触层102、中电接触层104及上电接触层106的材料为Si掺杂的GaAs，厚度范围为400μm～800μm。
作为示例，所述第一多量子阱层呈台阶状结合于所述下电接触层102，以露出部分的下电接触层102，该露出的下电接触层102表面形成有下金属电极107；所述第二多量子阱层呈台阶状结合于所述中电接触层104，以露出部分的中电接触层104，该露出的中电接触层104表面形成有中金属电极108；所述上电接触层106表面形成有上金属电极109。
如图1～图6所示，本实施例还提供一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，包括步骤：
如图1所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，于所述衬底101表面通过外延生长依次形成下电接触层102、第一多量子阱层103、中电接触层104、第二多量子阱层105、以及上电接触层106；
其中，当所述第一多量子阱层的量子阱周期数N1所对应的峰值响应频率为f1，最大工作偏压为V1，当所述第二多量子阱层的量子阱周期数N2所对应的峰值响应频率为f2，最大工作偏压为V2，f1<f2，所述第一多量子阱层103的实际量子阱周期数M1与所述第二多量子阱层105的实际量子阱周期数M2满足：
作为示例，采用如下技术方案进行实施：
1-1)设计并制备两个具有不同峰值响应频率的普通太赫兹量子阱光电探测器(THzQWP)，确定相应的器件结构参数，包括多量子阱势阱的宽度(lw)、势垒的宽度(lb)、势垒的高度(h)和阱中的n型掺杂浓度(n)，以及多量子阱的周期数(N)。
假设所设计的两个普通太赫兹量子阱光电探测器分别为TQWP1和TQWP2，两者参数分别如下：
| 势阱宽度 | 势垒宽度 | 势垒高度 | 势阱中掺杂浓度 | 多量子阱周期数 | |
| TQWP1 | lw1 | lb1 | h1 | n1 | N1 |
| TQWP2 | lw2 | lb2 | h2 | n2 | N2 |
1-2)测试上述太赫兹量子阱光电探测器各自的峰值响应频率和最大正常工作偏压；假设测试结果如下：
| 峰值响应频率 | 最大工作偏压 | |
| TQWP1 | f1 | V1 |
| TQWP2 | f2 | V2 |
1-3)根据上述测试结果设计具有宽响应谱的THzQWP。该THzQWP的器件材料具有如图1所示的结构，在衬底101上首先是一层下电接触层102，在此之上，为两个不同的周期性多量子阱层(下面标记为第一多量子阱层103MQW1和第二多量子阱层105MQW2)，两者由中电接触层104隔开，最上面是上电接触层106。在这其中，MQW1层及MQW2层的具体参数需根据上述TQWP1和TQWP2的相关参数确定，即所述第一多量子阱层103及第二多量子阱层105的峰值响应频率及最大工作偏压由各自的多量子阱势阱的宽度、势垒的宽度、势垒的高度和势阱中的n型掺杂浓度以及多量子阱的周期数决定。
1-4)周期性多量子阱层参数的确定：
A、势阱宽度、势垒宽度、势垒高度和势阱中掺杂浓度的确定：
假设在第1-2)中，测得的峰值响应频率f1<f2，那么MQW1的势阱宽度、势垒宽度、势垒高度和势阱中掺杂浓度需与TQWP1一致，相应的，MQW2对应参数应与TQWP2一致。即峰值响应频率较低的多量子阱结构应靠近下电接触层102，而峰值响应频率较高的多量子阱结构应靠近上电接触层106。
B、多量子阱的周期数的确定：
如果MQW1的周期数为M1，MQW2的周期数为M2，为了使器件可以工作在合理的偏压下，M1和M2应满足如下条件：
则MQW1和MQW2的结构参数归纳在下表中(若f1<f2，且取M1＝N1)：
| 势阱宽度 | 势垒宽度 | 势垒高度 | 势阱中掺杂浓度 | 多量子阱周期数 | |
| MQW1 | lw1 | lb1 | h1 | n1 | N1 |
| MQW2 | lw2 | lb2 | h2 | n2 | N2×V1/V2 |
1-5)一般情况下，上、中、下三个电接触层的厚度在400μm到800μm之间即可，n型掺杂浓度为1017/cm3。电接触层的参数也可根据需要进行调整。至此，已得到了具有宽响应谱THzQWP器件材料的全部结构参数。
1-6)根据前述器件结构参数生长器件材料，可采用分子束外延、金属有机化合物化学气相沉淀等材料生长技术完成材料生长。
如图2所示，然后进行步骤2)，去除部分的上电接触层106以及第二多量子阱层105，露出中电接触层104。
具体地，采用腐蚀的方法去除部分的上电接触层106以及第二多量子阱层105，腐蚀停止位置在中电接触层104内部，露出中电接触层104。
如图3所示，接着进行步骤3)，去除部分的中电接触层104以及第一多量子阱层103，露出下电接触层102。
具体地，采用腐蚀的方法去除部分的中电接触层104以及第一多量子阱层103，腐蚀停止位置在下电接触层102内部，露出下电接触层102。
如图4所示，接着进行步骤4)，制作光刻图形，于所述上电接触层106、中电接触层104及下电接触层102表面沉积金属，并采用金属剥离的方法制作出上金属电极109、中金属电极108以及下金属电极107。
如图5所示，最后进行步骤5)，所述上金属电极109及下金属电极107通过金线110焊接进行短接，两者共同成为器件的第一电极，而中金属电极108层为器件的第二电极。
在一个具体的实施过程中，THzQWP一般采用GaAs/AlGaAs材料体系，那么在周期性多量子阱结构中，GaAs材料为势阱，AlxGa1-xAs材料为势垒，GaAs层和AlxGa1-xAs层的厚度分别对应势阱的宽度lw和势垒的宽度lb，x为Al分数，0<x<1，对应于势垒的高度，电接触层为GaAs，电接触层及势阱中n型掺杂的元素为Si。
首先，应当设计两个具有不同峰值响应频率的普通THzQWP，并进行相应的表征。在本实例中，直接选取两个已公布的普通THzQWP，其材料结构列在下表中：
| GaAs厚度 | AlGaAs厚度 | Al分数 | 势阱中掺杂浓度* | 多量子阱周期数 | |
| TQWP1 | 22.1nm | 95.1nm | 1.5％ | 3×1016/cm3 | 23 |
| TQWP2 | 15.5nm | 70.2nm | 3％ | 6×1016/cm3 | 30 |
*注：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层中，势阱的中央区域均具有Si掺杂，该中央区域的厚度范围为8～12nm。具体地，此处是指对量子阱中央10nm的区域进行Si掺杂。
然后，对两者性能进行表征，可得到峰值响应频率、最大工作偏压和响应谱半高宽如下：
| 峰值响应频率 | 最大工作偏压 | 响应谱半高宽 | |
| TQWP1 | 3.2THz | 30mV | 1.5THz |
| TQWP2 | 5.4THz | 150mV | 0.9THz |
如图1所示，由于TQWP1的峰值响应频率较低，所以MQW1中的势阱宽度、势垒宽度、势垒高度和势阱中掺杂浓度应与TQWP1一致；相应的，MQW2的相关参数与TQWP2一致。而对于MQW的周期数，M1和M2应满足
所以，若取M1＝46，则M2＝12。因此，可得到MQW1和MQW2的参数如下表：
| GaAs厚度 | AlGaAs厚度 | Al分数 | 势阱中掺杂浓度* | 多量子阱周期数 | |
| MQW1 | 22.1nm | 95.1nm | 1.5％ | 3×1016/cm3 | 46 |
| MQW2 | 15.5nm | 70.2nm | 3％ | 6×1016/cm3 | 12 |
*注：这里是指对量子阱中央10nm的区域进行Si掺杂。
所述下电接触层102、中电接触层104及上电接触层106的材料为Si掺杂的GaAs，厚度范围为400μm～800μm。选取上电接触层106厚度为400nm，中电接触层104厚度为600nm，下电接触层102厚度为800nm，n型掺杂浓度为1017/cm3。
将上述器件材料封装成器件，并引出电极，即可获得具有宽响应谱的THzQWP，如图6所示。理论计算得到，本发明的THzQWP的光电流响应谱如图6所示，由图可知，其光电流响应谱可有效覆盖1.5～8THz频率范围，半高宽达2.84THz，比TQWP1提升约89％，比TQWP2提升约215％。
如上所述，本发明的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器及其制备方法，具有以下有益效果：本发明的太赫兹量子阱光电探测器具有非常宽的响应谱，可有效覆盖1.5～8THz频率范围，半高宽达2.84THz，比TQWP1提升约89％，比TQWP2提升约215％。本发明结构和制作方法简单，效果显著，在半导体光电器件技术领域具有广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，其特征在于，包括：
衬底；
下电接触层，结合于所述衬底表面；
第一多量子阱层，结合于所述下电接触层表面，当其量子阱周期数N1所对应的峰值响应频率为f1，最大工作偏压为V1；
中电接触层，结合于所述第一多量子阱层表面；
第二多量子阱层，结合于所述中电接触层表面，当其量子阱周期数N2所对应的峰值响应频率为f2，最大工作偏压为V2；
上电接触层，结合于所述第二多量子阱层表面；
其中，f1<f2，且所述第一多量子阱层的实际量子阱周期数M1与所述第二多量子阱层的实际量子阱周期数M2满足：
2.根据权利要求1所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，其特征在于：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的峰值响应频率及最大工作偏压由各自的多量子阱势阱的宽度、势垒的宽度、势垒的高度和多量子阱中的n型掺杂浓度以及多量子阱的周期数决定。
3.根据权利要求1所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，其特征在于：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的周期性多量子阱结构中，势阱的材料为GaAs，势垒的材料为AlxGa1-xAs，0<x<1。
4.根据权利要求1所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，其特征在于：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层中，势阱的中央区域均具有Si掺杂，该中央区域的厚度范围为8～12nm。
5.根据权利要求1所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，其特征在于：所述下电接触层、中电接触层及上电接触层的材料为Si掺杂的GaAs，厚度范围为400μm～800μm。
6.根据权利要求1所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器，其特征在于：所述第一多量子阱层呈台阶状结合于所述下电接触层，以露出部分的下电接触层，该露出的下电接触层表面形成有下金属电极；所述第二多量子阱层呈台阶状结合于所述中电接触层，以露出部分的中电接触层，该露出的中电接触层表面形成有中金属电极；所述上电接触层表面形成有上金属电极；所述上金属电极及下金属电极通过金线焊接进行短接，两者共同成为器件的第一电极，而中金属电极层为器件的第二电极。
7.一种宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1)提供一衬底，于所述衬底表面依次外延生长下电接触层、第一多量子阱层、中电接触层、第二多量子阱层、以及上电接触层；
2)去除部分的上电接触层以及第二多量子阱层，露出中电接触层；
3)去除部分的中电接触层以及第一多量子阱层，露出下电接触层；
4)制作光刻图形，于所述上电接触层、中电接触层及下电接触层表面沉积金属，并采用金属剥离的方法制作出上金属电极、中金属电极以及下金属电极；
5)所述上金属电极及下金属电极通过金线焊接进行短接，两者共同成为器件的第一电极，而中金属电极层为器件的第二电极；
其中，当所述第一多量子阱层的量子阱周期数N1所对应的峰值响应频率为f1，最大工作偏压为V1，当所述第二多量子阱层的量子阱周期数N2所对应的峰值响应频率为f2，最大工作偏压为V2，f1<f2，所述第一多量子阱层的实际量子阱周期数M1与所述第二多量子阱层的实际量子阱周期数M2满足：
8.根据权利要求7所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，其特征在于：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的峰值响应频率及最大工作偏压由各自的多量子阱势阱的宽度、势垒的宽度、势垒的高度和多量子阱中的n型掺杂浓度以及多量子阱的周期数决定。
9.根据权利要求7所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，其特征在于：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层的周期性多量子阱结构中，势阱的材料为GaAs，势垒的材料为AlxGa1-xAs，0<x<1。
10.根据权利要求7所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，其特征在于：所述第一多量子阱层及第二多量子阱层中，势阱的中央区域均具有Si掺杂，该中央区域的厚度范围为8～12nm。
11.根据权利要求7所述的宽响应谱的太赫兹量子阱光电探测器的制备方法，其特征在于：所述下电接触层、中电接触层及上电接触层的材料为Si掺杂的GaAs，厚度范围为400μm～800μm。
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