CN108538935A - 隧道补偿超晶格红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了隧道补偿超晶格红外探测器，属于半导体光电子领域。原有的隧道补偿多有源区红外探测器改善了传统多量子阱或超晶格结构红外探测器的光电流小，暗电流大的缺点，但制作难度较大，成品率低。在衬底上生长下接触层，然后生长一个或多个基本单元，上接触层，制作台面和电极，基本单元依次为阻挡势垒、超晶格红外吸收区、重掺杂N型区和重掺杂P型区；特征在于采用超晶格结构作为探测器的红外吸收区，降低了对外延结构参数的控制要求；重掺杂N型区和重掺杂P型区形成隧道结，为超晶格提供隧道补偿电流；阻挡势垒厚度为30～50nm，以减小器件的暗电流。本发明兼具隧道补偿多有源区红外探测器光电流大、暗电流低、响应速度快等优点。
Description
技术领域
本发明是一种中长波长红外探测器件，具体涉及一种隧道补偿超晶格有源区红外探测器，属于半导体光电子技术领域。
背景技术
传统的中长波多量子阱或超晶格结构红外探测器主要为GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统或InxGa1-xAs/GaAs材料系统。其器件结构的实现采用分子束外延(MBE)或金属有机化学汽相淀积(MOCVD或OMVPE)技术外延生长得到。经过标准的半导体工艺过程，得到传统的中长波多量子阱或超晶格结构红外探测器件，其基本结构如图1、2所示(以GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统为例)：上金属电极1；上N型GaAs接触层2；多量子阱区或超晶格结构3(由本征型Ga1- xAlxAs材料势垒层7，N型GaAs材料势阱层8交替生长若干周期)；下N型GaAs接触层4；下金属电极5；GaAs衬底6。如为单个或单列器件，衬底一侧磨45度角并抛光做为进光面；如为面阵器件，则多在表面制作光栅。该种探测器存在着如下一些缺点：1、光电流的大小与量子阱的个数无关；2、器件工作时在导带存在补偿复合电流，器件的暗电流大。
为了获得大光电流、高响应速度的红外探测器件，利用外延生长技术和传统的Ⅲ－Ⅴ族材料工艺，制作了隧道补偿多有源区红外探测器。该器件主要结构包括(以GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统为例)：半绝缘GaAs衬底、上下接触层、隧道补偿机构和红外吸收区。其中隧道补偿机构和红外吸收区为周期重复的基本单元结构，其能带基本结构如图3所示：由p+-Ga1-xAlxAs区4(或p+-GaAs)和n+-GaAs区3组成的隧道结为隧道补偿机构，和i-Ga1-xAlxAs区1各自形成势垒，中间的n+-GaAs区2形成势阱，为红外吸收区。该种探测器的光电流会随量子阱红外吸收区数目的增加而增大。缺陷在于材料生长难度很高。由于势阱n+-GaAs区2对载流子的限制是通过异质结带边差和PN结内建电场形成的势垒共同构成的，量子阱与外延结构参数,如掺杂水平以及在界面处的分布等,关系非常敏感。外延结构的具体情况很难实现精确的控制。若实际掺杂浓度低于设计值，会导致隧道结耗尽层过宽，量子阱变窄，若实际掺杂浓度高于设计值，则耗尽层过窄，量子阱变宽，难以得到理想的探测波长。
发明内容
本发明的目的在于克服了上述现有技术的缺点，提供一种易于制作的大光电流高性能的红外探测器件。
本发明采用的技术方案为隧道补偿超晶格红外探测器，依次在衬底上生长N型下接触层4、生长阻挡层9、超晶格吸收区10、重掺杂N型区11和重掺杂P型区12，超晶格吸收区10由GaAs/AlGaAs材料按照一定的周期结构生长多对；根据探测器性能的要求重复生长生长阻挡层9、超晶格吸收区10、重掺杂N型区11和重掺杂P型区12以提升器件的性能，最后外延上接触层2。采用半导体工艺制作台面，并在该台面的上下制作上金属电极1和下金属电极5。
采用超晶格结构代隧道补偿多有源区红外探测器的n+-GaAs势阱作为红外吸收区，分离隧道结耗尽区和红外吸收区，克服原设计中P型和N型GaAs掺杂浓度的微小变化对势阱形状及有效阱宽的影响较大以致阱中能级很难控制的缺点。
隧道补偿多有源区红外探测器的结构设计导致重掺杂N型GaAs材料一部分是GaAs隧道结N型区，另一部分又是量子阱光吸收区。阱的有效宽度即电子主要存在的区域为阱的设计宽度减去n+-GaAs耗尽层的宽度,对掺杂浓度和厚度的控制影响耗尽层的展宽，也影响了阱的有效宽度，这使得量子阱宽度对掺杂浓度极为敏感。而实际掺杂浓度难以精确控制，导致器件的制作难度很大。
探测波长取决于超晶格的结构参数，超晶格的生长工艺较为成熟，可以精准控制材料的组分、厚度，得到较为理想的超晶格厚度和势垒高度。超晶格子能带的位置受到势阱层和势垒层的厚度以及势垒高度的影响，确定器件超晶格的厚度和势垒的高度，也就相应地确定器件的吸收波长。
超晶格红外吸收区由周期排列的本征型AlGaAs势垒层和N型掺杂的GaAs势阱层构成，势垒层的厚度足够薄而形成隧道共振。基于隧道共振效应，补偿电流隧穿势垒至超晶格基态能带，填充受到红外辐射时电子受激跃迁留下的空位。
以隧道结的反向偏压电流补偿超晶格红外吸收区电子受激跃迁留下的空位。N型区11和P型区12均为重掺杂，以保证实现价带到导带的隧穿。
重掺杂P型区对入射光也存在很大的吸收，但与超晶格红外吸收层不同的是，在P型势垒区被吸收的光子不能产生光电子，其是对入射光的一种吸收损耗。因此P型势垒层应在保证不被耗尽的前提下，尽量的薄。
隧道结耗尽区不能扩展到超晶格红外吸收区，因此重掺杂N型区11设计得宽，以保证实际掺杂浓度与设计的误差不会影响到超晶格红外吸收区。同时，N型区的重掺杂会导致杂质散射的概率增加，影响电子的输运速度，因此N型区亦不能过厚。
阻挡势垒9为本征型材料，以减小该层对光生载流子的散射和吸收。本结构中的阻挡势垒与传统的多量子阱探测器的阻挡势垒相同，均采用本征型材料。这是因为本征型材料中杂质的浓度很低，其对光生载流子的吸收和散射作用较小。
阻挡势垒9的厚度为30～50nm，以减小器件的暗电流。阻挡势垒9的厚度对器件的暗电流和光电流有很大的影响。阻挡势垒越厚，器件的暗电流越小，但光电流也会减小，阻挡势垒越薄，虽然能够提高器件的光电流，但暗电流会增加，造成器件的噪声增加。因此，必须综合考虑来确定阻挡势垒的厚度。
本发明的能带示意图具体参见图3(以p+-GaAs/n+-GaAs/i-Ga1-xAlxAs为例)，工作时与传统的器件相同，需要外加偏压并制冷。当器件没有受到红外辐照时，由于阻挡势垒9的阻挡，超晶格红外吸收区10内的电子不能在工作电场下逃逸而形成电流，因此超晶格红外吸收区10始终被电子填满，由于没有空位，价带电子不能形成隧穿电流，整个器件呈现很高的暗电阻，因此具有比传统的多量子阱或超晶格结构红外探测器更小的暗电流。当器件的超晶格红外吸收区10受到红外辐照时，该区内的大量电子会受激跃迁并在外加电场的作用越过阻挡势垒9，并加速形成光电流。由于该器件结构中重掺杂P型区12和重掺杂N型区11形成很大的势场，光电流在到达该势场时会被加速，并以极高的速度通过下一个超晶格红外吸收区，上述过程在每通过一个隧道结时，都会再次发生，直到光电流被电极收集。同时由于大量的电子从超晶格红外吸收区10激发出去，在超晶格红外吸收区10会产生大量的空位，重掺杂P型区12中的价带电子会以极快的速度隧穿到超晶格红外吸收区10填补这些空位，形成隧穿电流。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1)易于制作，器件对于掺杂浓度的控制要求并不严格，允许一定的误差范围，而且超晶格的生长工艺足够成熟。
2)具有大的光响应。
3)具有低暗电流。
4)器件的光响应速度快,理论计算小于10ps。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
图1：器件结构示意图。
图2：传统结构能带示意图。
图3：隧道补偿多有源区红外探测器能带示意图。
图4：本发明的能带示意图。
具体实施方式
一种隧道补偿多超晶格有源区红外探测器，衬底6上生长N型下接触层4，然后生长隧道补偿超晶格红外吸收区，P型上接触层2，采用半导体工艺制作台面，并在该台面的上下制作上金属电极1和下金属电极5，所述的隧道补偿超晶格红外吸收区包括至少一个基本单元形成的重复结构，该基本单元从下至上依次为阻挡势垒9、超晶格红外吸收区10、重掺杂N型区11和重掺杂P型区12；
其中重掺杂N型区11和重掺杂P型区12形成隧道结；
超晶格红外吸收区10由周期排列的Ⅰ类超晶格材料系统构成，吸收波长主要由超晶格势阱层的厚度和势垒高度决定；
阻挡势垒9的厚度为30～50nm；其禁带的宽度大于超晶格红外吸收区10所使用的半导体材料的禁带宽度，并且其导带底高于超晶格红外吸收区10材料的导带底。
采用超晶格结构代替隧道补偿多有源区红外探测器的n+-GaAs势阱作为红外吸收区，分离了隧道结耗尽区和红外吸收区，克服了原设计中不规则阱较难控制的缺点，降低了材料生长难度，同时保留了原设计光电流大、暗电流低、响应速度快等优点。
本发明的器件结构与传统多量子阱器件相类似。所以我们可以借助图1对本发明的器件结构加已说明。器件结构采用MOCVD进行外延生长。以GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统为例：在GaAs半绝缘衬底6上，外延生长高质量n+-GaAs下接触层4，然后生长基本单元(包括：p+-Ga1-xAlxAs、n+-GaAs和i-Ga1-xAlxAs，其中由p+-Ga1-xAlxAs和n+-GaAs组成PN结，i-Ga1-xAlxAs层形成势垒，中间的n+-GaAs层形成势阱)10周期。然后是生长p+-GaAs上接触层2。结构生长好后，按GaAs标准光刻和腐蚀工艺制作器件的台面，并在台面的上下制作电极1和5。最后磨角、抛光、压焊、封装入杜瓦瓶中。
除采用本实施例方案外，采用MBE或其它外延技术也能得到本发明结构。本结构也可以采用其它材料的衬底。本结构也可采用上N型下P型的结构，只是生长时的顺序反过来。本结构的基本单元中，重掺杂P型区12，重掺杂N型区11形成的结可以是异质结，也可以是同质结，结两侧均为简并掺杂，以保证价带到导带的隧穿。超晶格红外吸收区10可以采用GaAs/Ga1-xAlxAs材料系统，也可采用其他Ⅰ类超晶格材料系统。阻挡势垒9是本征型(非故意掺杂)宽禁带半导体材料，需保证其禁带宽度大于超晶格红外吸收区所使用的势阱半导体材料禁带宽度，且其导带底高于超晶格势阱导带底，从而保证形成电子势垒。本发明在应用于器件时，上述的基本单元可以在器件中重复多次，既可以只包括一个基本单元，也可以包括多个基本单元，以达到提高器件性能的目的。本结构可以制作成单元器件，线阵器件或面阵器件。以上这些变化都不脱离本发明的范围。
Claims (8)
1.隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：依次在衬底上生长N型下接触层(4)、生长阻挡层(9)、超晶格吸收区(10)、重掺杂N型区(11)和重掺杂P型区(12)，超晶格吸收区(10)由GaAs/AlGaAs材料按照一定的周期结构生长多对；根据探测器性能的要求重复生长生长阻挡层(9)、超晶格吸收区(10)、重掺杂N型区(11)和重掺杂P型区(12)以提升器件的性能，最后外延上接触层(2)；采用半导体工艺制作台面，并在该台面的上下制作上金属电极(1)和下金属电极(5)；
采用超晶格结构代隧道补偿多有源区红外探测器的n+-GaAs势阱作为红外吸收区，分离隧道结耗尽区和红外吸收区。
2.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：隧道补偿多有源区红外探测器的结构设计导致重掺杂N型GaAs材料一部分是GaAs隧道结N型区，另一部分又是量子阱光吸收区；阱的有效宽度即电子主要存在的区域为阱的设计宽度减去n+-GaAs耗尽层的宽度，对掺杂浓度和厚度的控制影响耗尽层的展宽，也影响了阱的有效宽度，这使得量子阱宽度对掺杂浓度极为敏感。
3.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：超晶格红外吸收区由周期排列的本征型AlGaAs势垒层和N型掺杂的GaAs势阱层构成，势垒层的厚度足够薄而形成隧道共振；基于隧道共振效应，补偿电流隧穿势垒至超晶格基态能带，填充受到红外辐射时电子受激跃迁留下的空位。
4.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：以隧道结的反向偏压电流补偿超晶格红外吸收区电子受激跃迁留下的空位；N型区(11)和P型区(12)均为重掺杂，以保证实现价带到导带的隧穿。
5.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：重掺杂P型区对入射光也存在很大的吸收，但与超晶格红外吸收层不同的是，在P型势垒区被吸收的光子不能产生光电子，其是对入射光的一种吸收损耗。
6.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：阻挡势垒(9)为本征型材料，以减小该层对光生载流子的散射和吸收。
7.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：阻挡势垒(9)的厚度为30～50nm，以减小器件的暗电流。
8.根据权利要求1所述的隧道补偿超晶格红外探测器，其特征在于：当器件没有受到红外辐照时，由于阻挡势垒(9)的阻挡，超晶格红外吸收区(10)内的电子不能在工作电场下逃逸而形成电流，因此超晶格红外吸收区(10)始终被电子填满，由于没有空位，价带电子不能形成隧穿电流，整个器件呈现很高的暗电阻，因此具有比传统的多量子阱或超晶格结构红外探测器更小的暗电流；当器件的超晶格红外吸收区(10)受到红外辐照时，该区内的大量电子会受激跃迁并在外加电场的作用越过阻挡势垒(9)，并加速形成光电流；由于该器件结构中重掺杂P型区(12)和重掺杂N型区(11)形成很大的势场，光电流在到达该势场时会被加速，并以极高的速度通过下一个超晶格红外吸收区，上述过程在每通过一个隧道结时，都会再次发生，直到光电流被电极收集；同时由于大量的电子从超晶格红外吸收区(10)激发出去，在超晶格红外吸收区(10)会产生大量的空位，重掺杂P型区(12)中的价带电子会以极快的速度隧穿到超晶格红外吸收区(10)填补这些空位，形成隧穿电流。
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