CN1123935C - 多量子阱红外级联光伏探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多量子阱红外级联光伏探测器，它由一化合物半导体材料衬底，在衬底上交替生长五个宽度不一势垒层和量子阱层，并以此为一个周期，重复生长多个周期的多量子阱组成。由于本发明采用了级联隧穿结构，在低温状态下，在红外光的辐照下，它可以在量子阱区域形成比目前提出的量子阱光伏探测器有更强的光伏信号，从而更加适用于量子阱红外焦平面器件用。
Description
技术领域
本发明涉及多量子阱红外探测器，特别涉及多量子阱红外级联光伏探测器。
背景技术
在目前的量子型红外焦平面技术中，光敏元芯片都是由若干光导型的空间上电学与光学分离的探测器象元组成。而光导型器件存在较大的暗电流，这一暗电流要求读出电路具有足够大的电容与之适应，从而带来了以下2个问题：
1、光导型器件的基本原理决定了器件的量子效率正比于吸收系数，为了提高器件的量子效率，或为了在相似的探测率条件下较大地增大响应率，需要增大量子阱基态上的电子浓度，但电子浓度的增大又直接超线性地增大暗电流，直接导致器件的探测率下降。很大的暗电流的根本物理起因是激发态的能量位置处存在很高对光吸收无贡献的电子态密度，为此存在一个优化的掺杂浓度来平衡掺杂浓度与响应率之间的矛盾；
2、由于是光导型器件，随着掺杂浓度上升或响应波长向长波方向发展，器件的阻抗指数式下降，很快地使读出电路饱和，为此要求读出电路的电容有指数式上升，但这一电容已被读出电路加工的微电子工艺所限制，同时这一电容的增大也导致读出电路自身噪声的加大，使焦平面器件的最终性能下降，为此需要采用光伏型器件来解决这一问题。
目前人们提出的光伏型器件结构与光导型器件结构基本相似，在上下电极之间构造对红外光有光电转换作用的量子阱激活区，在激活区，有一掺杂的量子阱用于红外光吸收，并将基态的电子激发到激发态，与该量子阱相邻的是一个渐变的势垒，使在激发态上的电子会受这一内建电场作用发生迁移，从而与杂质中心共同形成光生电压，即光伏信号。见参考文献Jung Hee Leeet.al.″An AlAs/InGaAs/AlAs/InAlAs double-barrier quantum well infraredphotodetector operating at 3.4μm and 205K″Appled Physics Letters Vol.74 No.5,Y.H.Wang et.al.″Voltage-tunable dual-mode operation InAlAs/InGaAs quantumwell infrared photodetector for narrow-and broadband detection at 10μm″Appl.Phys.Lett.62(6)，M.Z.Tidrow et.al.″A three-well quantum well infraredphotodetector″Appl.Phys.Lett.69(22)。
器件的工作温度与响应率及探测率虽然不及光导型器件优越，但光伏型器件是一个发展方向，因此任何一种光伏型的量子阱红外探测器结构，只要能将光伏型性能作显著改善都是很有实用价值的。
发明内容
本发明的目的是提供一种独立于现有的光伏型探测器的基本机理，利用光电子在耦合量子阱中的级联传输效应，设计出一种在结构上独特的多量子阱红外级联光伏探测器，使其光伏性能明显增强。
本发明的设计方案如下：
即在一化合物半导体材料衬底上，采用分子束外延(MBE)或金属有机气相沉积(MOCVD)薄膜生长技术，用化合物半导体材料交替生长势垒层和量子阱层，形成一个多量子阱，其结构为：
C1L1(AL2AL2AL2…A)L1C2，
C1为下电极层，C2为上电极层；L1为宽势垒层；L2为二个单一周期之间的势垒隔离层；A为单一周期，即为多量子阱耦合结构的基本探测单元；由
QW1L3QW2L3QW3L3QW4L3QW5构成，QW1…5为宽度不一的量子阱层；L3为多量子阱耦合结构中基本探测单元的势垒层。
为了有效地提高探测器的光伏信号，可重复生长30-50个周期，且每个周期之间用L2势垒层隔离。在材料生长完成后，在多量子阱芯片的电极层C1上制下电极，C2上制上电极。
所说的化合物半导体材料为GaAs/AlGaAs或InGaAs/AlGaAs。
附图说明
为了便于说明，我们以GaAs/AlGaAs多量子阱材料为例，给出阐述本发明的示意图如下：
图1为本发明的单一周期多量子阱级联光伏探测器光电响应原理图；
图2为本发明的多量子阱级联光伏探测器的结构示意图；
图3为图2的多量子阱级联光伏探测器的上电极层A局部放大剖示示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的单一周期多量子阱级联光伏探测器光电响应原理作详细阐述：见图1，由红外光在掺杂量子阱中将处于基态的电子激发到激发态上，形成探测器的光电子。这一光电子在其处于激发态上的寿命之内与邻近的耦合量子阱激发态发生共振隧穿，从而将光电子转移到邻近的量子阱。由于邻近的量子阱中基态与激发态的能量差为纵光学声子能量的整数倍，为此电子在激发态上的寿命很短，光电子很快在邻近量子阱中弛豫到基态。随后光电子在一组耦合量子阱中发生级联隧穿转移，造成了光电子与杂质正电中心距离的加大，形成光伏信号。
为了能将机理阐述更清晰，我们仍以GaAs/AlGaAs量子阱材料为实施例。
1.多量子阱芯片的制备：
(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生长：
采用分子束外延(MBE)在GaAs衬底1上按以下结构顺次生长：C1为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为1μm；L1为Al0.45Ga0.55As，厚度为50nm；QW1为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为2.55nm；L3为Al0.45Ga0.55As，厚度为2nm；QW2为Al0.25Ga0.75As，厚度为5nm；L3为Al0.45Ga0.55As，厚度为2nm；QW3为Al0.17Ga0.83As，厚度为50nm；L3为Al0.45Ga0.55As，厚度为2nm；QW4为Al0.9Ga0.91As，厚度为5nm；L3为Al0.45Ga0.55As，厚度为2nm；QW5为GaAs，厚度为5nm；然后以QW1到QW5为一个周期，且每二个周期之间用L2为Al0.45Ga0.55As，厚度为10nm作势垒隔离，重复生长30个周期，最后再生长L1为Al0.45Ga0.55As，厚度为50nm；C2为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为100nm；形成一个多量子阱2。
宽度为2.55nm的GaAs QW1量子阱中基态与第一激发态均处于量子阱中形成受限的局域态，但第一激发态与相邻的量子阱QW2中的第一激发态处于近共振隧穿的能量位置，同时量子阱QW2，QW3，QW4，QW5依次的基态均与相邻量子阱的第一激发态形成隧穿共振状态。在器件中QW1，QW2，QW3，QW4，QW55个量子阱结构的组合形成一个基本探测单元，即形成一个原理器件。
(2)电极制备
上电极3直接做在最顶部的C2层上，下电极4通过腐蚀把部分C1层以上的材料全部去除，裸露出C1层，再在该层上制备下电极4，见图2。
(3)多量子阱芯片台面制备
在上电极层C2上通过腐蚀方法做成光栅，见图3，使入射的红外光能被充分地耦合到量子阱中去，产生量子阱QW1中的电子从基态向第一激发态跃迁。
2、器件的工作过程：
将多量子阱芯片放置在一个带有红外波段光学窗口的致冷杜瓦中。红外响应波段为8-10微米，芯片致冷到约80K。仔细地微调器件的偏置电压7，形成良好的共振隧穿条件，随后将红外光5照射在多量子阱芯片上，此时由于红外光的激发引起量子阱QW1中的电子受激进入第一激发态，同时该激发态与相邻的量子阱激发态处于共振状态，电子很快隧穿到QW2阱中。在QW2量子阱内电子向基态弛豫的速率远比QW1量子阱中快，所以隧穿电子将快速地隧穿到QW5量子阱的基态，并且该电子很难反向隧穿到QW1量子阱中。这一过程的完成就形成了光伏电压信号6，而且该信号的持续时间是由较量子阱中的激发态向基态弛豫时间更长的其他散射过程决定的。这样就提高了光生载流子的有效寿命，增强了器件的响应率。
本发明有如下积极效果和优点：
1.本发明由于采用了级联隧穿结构，能更有效地将光电子在实空间中与杂质正电荷中心分离，并确保被分离的电子不能直接返回到杂质中心位置，这样就有效地提高了红外光的响应率和器件工作温度，使其满足在液氮温度下工作。
2.本发明是光伏型器件，相对当前普遍使用的光导型红外量子阱器件而言，有效地降低了暗电流，在焦平面器件应用中可以有很长的积分时间，以提高器件的灵敏度与温度分辨率。
Claims (2)
1.一种多量子阱红外级联光伏探测器，包括一衬底(1)，在衬底(1)上采用分子束外延(MBE)或金属有机气相沉积(MOCVD)薄膜生长技术，交替生长势垒层和量子阱层，形成一个GaAs/AlGaAs或InGaAs/AlGaAs多量子阱(2)，所说的多量子阱(2)结构为
C1L1(AL2AL2AL2…A)L1C2，C1为下电极层，C2为上电极层；L1为宽势垒层；L2为二个单一周期之间的势垒隔离层；A为单一周期，即为多量子阱耦合结构的基本探测单元；由
QW1L3QW2L3QW3L3QW4L3QW5构成，其特征在于：
QW1…5为宽度不一的量子阱层；L3为多量子阱耦合结构中基本探测单元的势垒层；
并以A为单一周期，重复生长30-50个周期；
上电极(3)直接做在最顶部的C2层上，下电极(4)通过腐蚀把部分C1层以上的材料全部去除，裸露出C1层，再在该层上制备下电极(4)。
2.根据权利要求1一种多量子阱红外级联光伏探测器，其特征在于：所说的上电极层C2为光栅形状。
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