CN108198895B - 红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器 - Google Patents

红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器，包括：衬底，所述衬底上具有缓冲层，所述缓冲层上具有第一间隔层，所述第一间隔层上具有一个或多个层叠设置在一起的量子点复合层，所述量子点复合层包括下方的量子点层和上方的第二间隔层，位于最上方的第二间隔层上具有金属层，所述金属层上具有阵列式通孔，所述衬底的背面为光线的入射面；本发明的结构和制造工艺较简单，且吸收率较高，适用于光电探测器领域。

Description

红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器
技术领域
本发明属于光电探测器的技术领域，尤其涉及一种红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器。
背景技术
随着红外探测技术在军事领域和民用领域的广泛应用，小规模半导体红外光电检测器件的需求量不断增加。近年来，用作小规模光电检测器的光敏区域(有源区域)的量子点材料受到广泛的关注。量子点有源区中的量子点材料由于其量子点纳米结构而具有更优异的光电特性，例如：量子点材料的量子效率越高，光电检测器件的吸收率越大。然而，有时候，传统的量子点有源区带来的吸收率也不能满足红外光电探测器的应用需求。而为了解决这个问题，现有技术通常采用一些工艺复杂、成本高昂的手段来提高红外光电探测器的吸收率，限制了拥有量子点有源区的红外探测器的广泛应用和批量生产。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种红外吸收率较高，且结构和制造工艺较简单的红外探测器的量子点有源区结构、其制作方法及红外探测器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：红外探测器的量子点有源区结构，包括：衬底，所述衬底上具有缓冲层，所述缓冲层上具有第一间隔层，所述第一间隔层上具有一个或多个层叠设置在一起的量子点复合层，所述量子点复合层包括下方的量子点层和上方的第二间隔层，位于最上方的第二间隔层上具有金属层，所述金属层上具有阵列式通孔，所述衬底的背面为光线的入射面。
优选地，所述金属层的制作材料为Au，或为Ag，或为Al，或为Cu，其厚度为10～40nm。
优选地，所述金属层的制作材料为Au。
优选地，所述通孔的孔径大小为50～65nm。
优选地，所述第一间隔层和所述第二间隔层的制作材料均为Al0.3Ga0.7As，其厚度均为70～85nm。
优选地，所述量子点层的数量为多个，其制作材料为GaAs，厚度为5～9nm。
优选地，所述衬底的制作材料为Si，或为GaAs。
相应地，本发明提供的一种红外探测器的量子点有源区结构的制作方法，包括：S101、提供衬底，经过500～600℃的脱氧处理；S102、在600～700℃下生长缓冲层；S103、在缓冲层上生长第一间隔层；S104、在第一间隔层生长一个或多个层叠设置在一起的量子点复合层；其中，生长一个量子点复合层，具体包括：在第一间隔层/第二间隔层上生长量子点层；在量子点层上生长第二间隔层；S105、在位于最上方的第二间隔层上生长金属层；S106、在金属层上形成阵列式通孔。
相应地，本发明提供的一种红外探测器，所述红外探测器包含如上所述的量子点有源区结构。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明在传统的量子点有源区中加入了金属层，并将金属层设置成孔状结构，采用背面入射的方式，当红外光照射入有源区后，红外光线先穿过量子点有源区再进入金属层，而下面的金属材料和上面的半导体材料构成的界面，以及金属孔和孔内空气之间的界面，可以产生等离子体增强效应，使得量子点有源区中能够局域更多的入射光波，从而导致量子点有源区对入射光的吸收率更高，而将上述这种对红外光具有更高吸收率的量子点有源区应用于红外探测器中，必将使得红外探测器具备更好的光电特性，例如：更好的光电流、更大的量子效率等。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明提供的红外探测器的量子点有源区结构实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的具有不同材料金属层的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图；
图3为本发明提供的具有不同厚度金属层的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图；
图4为本发明提供的具有不同孔径大小的金属层阵列式通孔的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图；
图5为本发明提供的具有不同量子点层厚度的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图；
图6为本发明提供的具有不同间隔层厚度的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图；
图7(a)～7(c)为本发明提供的传统量子点有源区和本发明量子点有源区的光传输仿真结果示意图；
图8A～8G为本发明提供的红外探测器的量子点有源区结构的制备流程图；
图中：101为衬底，102为缓冲层，103为第一间隔层，104为量子点层，105为第二间隔层，106为金属层，107为通孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种红外探测器的量子点有源区结构，图1为该量子点有源区结构实施例的结构示意图，如图1所示，所述的红外探测器的量子点有源区结构，可包括：衬底101，所述衬底101上具有缓冲层102，所述缓冲层102上具有第一间隔层103，所述第一间隔层103上具有一个或多个层叠设置在一起的量子点复合层，所述量子点复合层包括下方的量子点层104和上方的第二间隔层105，位于最上方的第二间隔层105上具有金属层106，所述金属层106上具有阵列式通孔107，所述衬底101的背面为光线的入射面。
进一步地，所述金属层106的制作材料可为Au，或为Ag，或为Al，或为Cu，其厚度为10～40nm。
进一步地，所述通孔107的孔径大小可为50～65nm。
进一步地，所述第一间隔层103和所述第二间隔层105的制作材料均可为Al0.3Ga0.7As，其厚度均可为70～85nm。
进一步地，所述量子点层104的数量可为多个，其制作材料为GaAs，厚度可为5～9nm。所述量子点层104内包含多个周期性分布或周期性排列的量子点，量子点的层内面密度为1×1010/cm2,量子点的形状一般可为椭圆、圆锥、立方体等形状，厚度可为5～9nm。
进一步地，所述缓冲层102的制作材料可为GaAs。
在具体实施时，可根据实际需求确定量子点层104的数量。通常地，将一个量子点层104称为一个周期的量子点层。为了达到简明扼要和示意的目的，图1中仅示出了一个周期的量子点层的情况，如图1所示，在第一间隔层103上具有一个量子点复合层，即：第一间隔层103上具有量子点层104，量子点层104上具有第二间隔层105，第二间隔层105上具有金属层106。
进一步地，所述衬底101的制作材料可为Si，或为GaAs。
本实施例利用CST电磁仿真软件对不同参数下的量子点有源区的吸收率进行了仿真。假设入射光垂直入射到量子点有源区，在忽略损耗的情况下，研究了量子点有源区的反射、透射以及吸收的情况，并对相应的仿真结果进行了归一化处理。图2为具有不同材料金属层的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图，其中，曲线①为Ag金属的仿真结果曲线，曲线②为Al金属的仿真结果曲线，曲线③为Cu金属的仿真结果曲线，曲线④为Au金属的仿真结果曲线，参数设置如下：红外波段为200～340Thz，有源区域的面积大小为1000nm×1000nm；第一间隔层和第二间隔层的制作材料为Al0.3Ga0.7As，厚度均为80nm；5个周期的量子点层，该量子点层内包含多个周期性分布或周期排列的量子点，量子点的层内面密度为1×1010/cm2,量子点的形状假设为立方体，量子点层的制作材料为GaAs，厚度为9nm，相邻量子点之间的间隔距离为60nm；金属层的厚度为20nm，阵列式通孔的孔径大小为60nm，相邻通孔之间的间隔距离为80nm。如图2所示，在上述频率区间内，Ag金属对应的吸收率最大值为0.6367(对应频率波段为285.73Thz)，Al金属对应的吸收率最大值为0.6672(对应频率波段为267.79Thz)，Cu金属对应的吸收率最大值为0.5766(对应频率波段为272.86Thz)，Au金属对应的吸收率最大值为0.7817(对应频率波段为285.73Thz)；综上来看，在不同频率的红外波段，每种金属材料得到的吸收率都各有差异，但是从总体上看，在大多数波段，Au金属获得的吸收率要高于其他几种金属获得的吸收率。
图3为具有不同厚度金属层的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图，其中，曲线①为金属层厚度为10nm的仿真结果曲线，曲线②为金属层厚度为20nm的仿真结果曲线，曲线③为金属层厚度为30nm的仿真结果曲线，曲线④为金属层厚度为40nm的仿真结果曲线，参数设置除了金属材料选为Au、金属层厚度不同以外，均与图2中的参数设置一样。如图3所示，在上述频率区间内，金属层厚度为10nm对应的吸收率最大值为0.6667(对应频率波段为262.72Thz)，金属层厚度为20nm对应的吸收率最大值为0.7817(对应频率波段为285.73Thz)，金属层厚度为30nm对应的吸收率最大值为0.6221(对应频率波段为293.14Thz)，金属层厚度为40nm对应的吸收率最大值为0.5896(对应频率波段为262.33Thz)；综上来看，在200～270Thz的频率区间内，金属层厚度为10nm的量子点有源区呈现出明显的高吸收率，但是当频率大于270Thz，其又呈现明显的低吸收率，综合来看，金属层厚度为10nm的量子点有源区的吸收率并不稳定；相反的，金属层厚度为20nm的量子点有源区在所选取的仿真频率区间内均呈现一个较稳定的较高吸收率。
图4为具有不同孔径大小的金属层阵列式通孔的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图，其中，曲线①为阵列式通孔的孔径大小为50nm的仿真结果曲线，曲线②为阵列式通孔的孔径大小为55nm的仿真结果曲线，曲线③为阵列式通孔的孔径大小为60nm的仿真结果曲线，曲线④为阵列式通孔的孔径大小为65nm的仿真结果曲线，参数设置除了金属材料选为Au、通孔的孔径大小不同以外，均与图2中的参数设置一样。如图4所示，在上述频率区间内，阵列式通孔的孔径大小为50nm对应的吸收率最大值为0.7441(对应频率波段为288.80Thz)，阵列式通孔的孔径大小为55nm对应的吸收率最大值为0.7214(对应频率波段为291.19Thz)，阵列式通孔的孔径大小为60nm对应的吸收率最大值为0.7819(对应频率波段为285.88Thz)，阵列式通孔的孔径大小为65nm对应的吸收率最大值为0.7072(对应频率波段为287.6833Thz)；综上来看，在不同频率的红外波段，不同的通孔孔径大小得到的吸收率都各有差异，但是从总体上看，在大多数波段，阵列式通孔的孔径大小为60nm时得到的吸收率较高且较稳定。
以图2中设置的参数为基础，在假定其他参数不变的情况下，研究了几个重要参数对整个量子点有源区吸收率的影响，可以合理推测出，在量子点层数(即量子点层的周期)不变的情况下，金属层材料为Au、金属层厚度为20nm、通孔孔径大小为60nm时，量子点有源区的吸收率是最强且最稳定的。
下面，在金属层结构不变(金属层厚度为20nm，通孔孔径大小为60nm)的情况下，研究不同量子点层厚度和间隔层厚度对本发明的量子点有源区的吸收率的影响：图5为具有不同量子点层厚度的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图，曲线①为量子点层厚度为5nm的仿真结果曲线，曲线②为量子点层厚度为6nm的仿真结果曲线，曲线③为量子点层厚度为7nm的仿真结果曲线，曲线④为量子点层厚度为8nm的仿真结果曲线，曲线⑤为量子点层厚度为9nm的仿真结果曲线。如图5所示，在上述频率区间内，量子点层厚度为5nm对应的吸收率最大值为0.8437(对应频率波段为209.80Thz)，量子点层厚度为6nm对应的吸收率最大值为0.8330(对应频率波段为290.02Thz)，量子点层厚度为7nm对应的吸收率最大值为0.8238(对应频率波段为289.24Thz)，量子点层厚度为8nm对应的吸收率最大值为0.7978(对应频率波段为286.120Thz)，量子点层厚度为9nm对应的吸收率最大值为0.7817(对应频率波段为258.73Thz)。图6为具有不同间隔层厚度的量子点有源区的吸收率仿真结果示意图，曲线①为第一间隔层/第二间隔层厚度为70nm的仿真结果曲线，曲线②为第一间隔层/第二间隔层厚度为75nm的仿真结果曲线，曲线③为第一间隔层/第二间隔层厚度为80nm的仿真结果曲线，曲线④为第一间隔层/第二间隔层厚度为85nm的仿真结果曲线。如图6所示，在上述频率区间内，间隔层厚度为70nm对应的吸收率最大值为0.7581(对应频率波段为322.78Thz)，间隔层厚度为75nm对应的吸收率最大值为0.7763(对应频率波段为304.84Thz)，间隔层厚度为80nm对应的吸收率最大值为0.8520(对应频率波段为292.75Thz)，间隔层厚度为85nm对应的吸收率最大值为0.8346(对应频率波段为284.17Thz)。
从图2～图6可以看出，不仅金属层的相关参数对整体的量子点有源区的吸收率有影响，而且量子点层和间隔层的厚度对整个量子点有源区也是有着很大的影响。而且这些参数之间相互影响，并能以计算出的最佳参数值来构造量子点有源区。在图2～图6计算出的吸收率数值中，能够看出量子点层厚度为9nm、间隔层厚度为80nm时，整个有源区的吸收率为0.8520。下面就以图2中设置的基础参数为例，比较传统(不具有金属层)的量子点有源区与本发明(具有金属层)的量子有源区的差异性。图7为传统量子点有源区和本发明量子点有源区的光传输仿真结果示意图，其中，(a)代表反射情况，(b)代表透射情况，(c)代表吸收情况，(a)、(b)、(c)中所示的曲线①为传统量子点有源区的仿真结果曲线，曲线②为本发明量子点有源区的仿真结果曲线。如图7(a)所示，两条曲线整体比较接近，而且本发明的量子点有源区的反射率除了个别频率区域外，基本上略高于传统的量子点有源区的反射率。如图7(b)所示，本发明的量子点有源区的透射率均小于传统的量子点有源区的透射率，甚至在某些频率区域二者相差较大。在忽略入射光在有源区材料损耗的基础上，将图7(a)、(b)的传输相结合，就得到了图7(c)所示的吸收情况，从图7(c)中可以看出，与没加金属层的传统量子点有源区相比较，增加金属层的本发明量子点有源区的吸收率得到了很大的改善，具体地，本实施例中的传统量子点有源区的吸收率为0.3888(对应频率波段为292.21Thz)，本发明量子点有源区的吸收率为0.8520(对应频率波段为292.75Thz)，为传统量子点有源区的2.19倍。基于此吸收率，可以计算出光电探测器的最高量子效率，以230Thz频率下的吸收率为例，相应的量子点红外光电探测器的量子效率约为47％，能更高好地满足应用需求。
本发明在传统的量子点有源区中加入了金属层，并将金属层设置成孔状结构，采用背面入射的方式，当红外光照射入有源区后，红外光线先穿过量子点有源区再进入金属层，而下面的金属材料和上面的半导体材料构成的界面，以及金属孔和孔内空气之间的界面，可以产生等离子体增强效应，使得量子点有源区中能够局域更多的入射光波，从而导致量子点有源区对入射光的吸收率更高，而将上述这种对红外光具有更高吸收率的量子点有源区应用于红外探测器中，必将使得红外探测器具备更好的光电特性，例如：更好的光电流、更大的量子效率等。本发明的研究结果不仅能够为光电探测器的进一步研究提供了理论指导，还能够在一定程度上推动红外探测器的广泛应用和批量生产。
本发明还提供了一种红外探测器的量子点有源区结构的制作方法，图8A～8G为红外探测器的量子点有源区结构的制备流程图，如图8A～8G所示，所述的红外探测器的量子点有源区结构的制作方法可包括：
S101、提供衬底101，经过500～600℃的脱氧处理，如图8A所示。
S102、在600～700℃下生长缓冲层102，如图8B所示。
S103、在缓冲层107上生长第一间隔层103，如图8C所示。
S104、在第一间隔层103生长一个或多个层叠设置在一起的量子点复合层，如图8D所示；
其中，生长一个量子点复合层，具体包括：
在第一间隔层103/第二间隔层105上生长量子点层104；
在量子点层104上生长第二间隔层105。
在本实施例中，为了达到简明扼要和示意的目的，图8D中仅示出了一个周期的量子点层的情况，即：
在第一间隔层103生长量子点层104；
在量子点层104上生长第二间隔层105。
S105、在位于最上方的第二间隔层105上生长金属层106，如图8E所示。
S106、在金属层106上形成阵列式通孔107，如图8F所示。
进一步地，所述衬底101可为Si，或为GaAs。
进一步地，步骤S102中，可采用分子束外延法来生长缓冲层102。
进一步地，步骤S104中，可通过改变温度和沉积量来调节量子点的形貌和大小。
进一步地，步骤S105中，可采用蒸镀法来生长金属层106。
进一步地，步骤S106中，可采用湿法刻蚀法来在金属层106上制备通孔107，具体地，可通过增加/减少蚀刻时间来增大/减小通孔107的孔径大小。
本发明还提供了一种红外探测器，所述红外探测器包含如上任一所述的量子点有源区结构。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.红外探测器的量子点有源区结构，包括：衬底（101），其特征在于：所述衬底（101）上具有缓冲层（102），所述缓冲层（102）上具有第一间隔层（103），所述第一间隔层（103）上具有5个层叠设置在一起的量子点复合层，所述量子点复合层包括下方的量子点层（104）和上方的第二间隔层（105），位于最上方的第二间隔层（105）上具有金属层（106），所述金属层（106）上具有阵列式通孔（107），所述衬底（101）的背面为光线的入射面；
所述金属层（106）的制作材料为Au，其厚度为20nm；
所述通孔（107）的孔径大小为60nm；
所述第一间隔层（103）和所述第二间隔层（105）的制作材料均为Al0.3Ga0.7As，其厚度均为80nm；
所述量子点层（104）的数量为5个，其制作材料为GaAs，厚度为7nm。
2.根据权利要求1所述的红外探测器的量子点有源区结构，其特征在于：所述衬底（101）的制作材料为Si，或为GaAs。
3.如权利要求1~2中任一所述 的红外探测器的量子点有源区结构的制作方法，其特征在于：包括：
S101、提供衬底（101），经过500~600℃的脱氧处理；
S102、在600~700℃下生长缓冲层（102）；
S103、在缓冲层（102）上生长第一间隔层（103）；
S104、在第一间隔层（103）上生长5个层叠设置在一起的量子点复合层；其中，生长一个量子点复合层，具体包括：
在第一间隔层（103）/第二间隔层（105）上生长量子点层（104）；
在量子点层（104）上生长第二间隔层（105）；
S105、在位于最上方的第二间隔层（105）上生长金属层（106）；
S106、在金属层（106）上形成阵列式通孔（107）。
4.红外探测器，其特征在于：所述红外探测器包含如权利要求1~2中任一所述的量子点有源区结构。
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