CN112635615B

CN112635615B - 具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器

Info

Publication number: CN112635615B
Application number: CN202011351362.7A
Authority: CN
Inventors: 康健彬; 李倩
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2040-11-26
Also published as: CN112635615A

Abstract

本发明公开了具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，该器件核心结构包括下电极接触层、有源层和上电极接触层。在单个周期的有源层中，吸收区由多个量子阱构成，输运区由耦合的多量子阱结构或体材料构成。器件工作时在吸收区中产生的光生电子进入输运区后在非对称电场的作用下可以自发迁移到下一个周期吸收区的基态能级上，在接下来的周期中重复上述过程，最终实现光‑电信号的转换。相比于传统的量子级联红外探测器，本发明提出器件吸收区采用了多个量子阱的结构，一方面单个周期的有源层对红外光子的吸收效率能大大增加，另一方面在器件设计时可以减少有源层周期数，实现器件响应度的提升和材料生长难度的降低。

Description

具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器

技术领域

本发明属于半导体光电探测器领域，具体涉及一种具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器。

背景技术

氮化镓基材料作为第三代半导体材料的典型代表，在蓝紫光波段凭借其优良的光电特性获得了巨大的商业成功。此外，随着材料外延技术的进步，氮化物异质结材料结构的成功制备使得利用氮化物材料子带能级跃迁探测红外光波成为可能。相比于其他III-V族半导体异质结材料，氮化物材料在制作子带跃迁器件时具有一定的优势，例如导带带阶范围大（0-1.75 eV），吸收波长可覆盖从近红外到太赫兹波段；电子弛豫速度快（150–400fs），可实现超快的光响应；纵光学声子能量大（GaN材料约90 meV），更利于器件室温工作。上述优势的存在使得利用氮化物子带跃迁机理制作红外探测器的研究受到广泛关注，特别是怎样实现具有超高速响应的通讯（近红外）波段探测器以及能够室温工作的太赫兹波段固态探测器。

氮化物材料在制作子带跃迁探测器时仍存在较大的困难，其主要体现在材料生长难度大和能带结构设计难度大两方面。在材料生长方面，一是受限于氮化物材料体系的大晶格失配外延，二是子带跃迁探测器异质结材料的层数多，生长过程对异质结界面的控制以及材料整体应力的调控都提出较高要求，导致实际生长的器件材料缺陷密度通常较高，形成大量的漏电流通道。在能带结构设计方面，氮化物材料具有强的极化效应，异质结中存在的极化电场致使各层材料能带发生倾斜，对器件吸收波长的精确控制和光生载流子的提取等都带来了不利影响。

根据文献报道，目前子带跃迁探测器主要有两种工作模式，一种是光电导型，另一种是光伏型。光电导器件与光伏型器件的区别在于光生载流子是否需要在外加偏压的作用下迁移从而形成光电流。基于氮化物的光电导子带跃迁探测器，有源层通常只含有吸收量子阱结构，光生载流子的迁移主要依靠外加偏压，外加偏压在增大光电流信号的同时也会造成器件较大的暗电流（P. K. Kandaswamy et al, Journal of Applied Physics 104,093501, 2008）。对于光伏型器件，除吸收量子阱外还需要引入具有内建电场的输运区结构，以实现光生载流子的自发迁移，其最初提出的结构如公开日为2001年3月7日，公开号为CN1286397A的中国发明专利文献，公开了“多量子阱红外级联光伏探测器”。该类型器件的优势是无需外加偏压，暗电流主要受热噪声的限制可以尽量避免氮化物材料缺陷多带来的漏电流通道多的问题，但不足之处是吸收区的单量子阱结构造成器件响应度偏低，同时材料结构较光电导型器件复杂，总体需要生长的材料层数高达数百层，对材料生长要求更高。

发明内容

本发明提供了一种具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其核心思想是在光伏型量子级联探测器件的基础上，将吸收区的单个量子阱结构替换为耦合的多量子阱结构，此时有源层的单个周期中存在多个吸收阱一方面改善了光伏型器件响应度低的问题，一方面在器件设计时可以减少有源层的整体周期数，有效降低材料生长难度。

本发明的技术方案如下：

具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其特征在于，材料结构自下至上包括：衬底、缓冲层、下电极接触层、有源层和上电极接触层。

所述衬底可以为Al₂O₃、GaN、AlN、Si等材料中的任意一种。

所述缓冲层包括但不限于AlGaN、InGaN、InAlN等材料或由此组成的超晶格结构材料，体材料厚度为0.01 µm至20 µm，超晶格结构材料各层的厚度为0.005 µm至0.02 µm，组分任意可调，该层结构用于提高生长材料的质量。

所述下电极接触层包括但不限于AlGaN、InGaN、InAlN等材料，材料组分任意可调，n型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10²⁰ cm^-3之间，厚度为0.2 µm至10 µm，用于制作下n型欧姆接触电极。

所述有源层的单个周期由吸收区和输运区两部分组分，总的周期数根据设计需求为1至20。其中，吸收区由多个阱宽相同或阱宽略微渐变的量子阱构成，量子阱的材料包括但不限于AlGaN(低Al组分)/AlGaN(高Al组分)、InGaN/AlGaN、InGaN/InAlN材料体系，量子势阱n型掺杂，掺杂浓度在5×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.001 µm至0.01 µm，量子势垒的厚度为0.001 µm至0.01 µm；输运区由数个耦合的AlGaN(低Al组分)/AlGaN(高Al组分)、InGaN/AlGaN、InGaN/InAlN量子阱构成或直接由体材料构成，量子势阱和势垒的厚度均为0.001 µm至0.01 µm，体材料的厚度为0.01 µm至0.2 µm，Al组分任意可调。吸收区量子阱结构用于对红外光信号的吸收，输运区量子阱结构用于实现光生载流子的自发迁移。

所述上电极接触层包括但不限于AlGaN、InGaN、InAlN等材料，材料组分任意可调，n型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10²⁰ cm^-3之间，厚度为0.05 µm至0.5 µm，用于制作上n型欧姆接触电极。

基于以上的技术方案，本发明的有益之处是将传统的光伏型量子级联探测器件吸收区的单个量子阱结构替换为耦合的多量子阱结构，在保持光伏型器件工作原理优势的基础上，将光电导型器件响应度大、材料结构相对简单的优势利用起来，形成了一种结合两类器件优势的新型光伏型氮化物子带跃迁探测器。在传统的光伏型氮化物量子级联探测器件中，吸收区只有单个量子阱结构，输运区为耦合的多量子阱结构。为了增大器件电阻，实际材料生长过程中会将吸收区和输运区重复30-50个周期，由此造成整体器件异质结材料层数高达数百层，给外延生长带来较大挑战。从工作原理上来分析，当有红外光子入射时，吸收区量子阱中产生的光生电子通过一定方式进入到输运区后会自发迁移下一个周期的吸收区量子阱中，再在红外光子的作用下继续迁移到再下一周期，以此反复形成光电流回路，此时器件响应度与周期数成反比。当将吸收区的单个量子阱结构替换为耦合的多量子阱结构后，在同一周期中能吸收光子信号的材料厚度增大，意味着红外光子在单个周期中被吸收的概率增大。同时吸收阱个数增大后，单个周期的电阻将增大，此时可以利用减少周期数来降低生长材料的层数，一方面缓解了材料生长难度的压力，另一方面还可以提升器件响应度。

为进一步说明本发明的特征和作用，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1为本发明器件有源层单个周期的导带能带结构及载流子输运示意图。

图2 为实施例1中器件的截面结构示意图。

图3 为实施例1中器件有源层单个周期的导带能带结构及电子波函数分布。

图4为实施例2中器件的截面结构示意图。

图5为实施例2中器件有源层单个周期的的导带能带结构及电子波函数分布。

其中，101－吸收区，103－输运区，201－衬底，203－缓冲层，205－下电极接触层，207－上电极接触层，209－n型下欧姆接触电极，211－n型上欧姆接触电极，213－光栅结构，301－吸收区基态能级，303－吸收区激发态能级，305－输运区基态能级，401－基于等离激元效应的周期性结构欧姆接触电极，501－输运区连续态能级。

具体实施方式

实施例1

为了更清晰地展示本发明器件的工作原理，图1给出了器件的导带结构示意图及载流子动力学过程。在单个周期的有源层中，吸收区由数个耦合的多量子阱构成，量子阱阱宽可以设置为相同或沿着材料生长方向略微展宽。阱宽渐变的设计是为了形成一定的能量阶梯，尽量使得在靠左侧的量子阱中产生的光生电子能够在电势差的作用下有效进入到输运区的第一个量子阱中。器件探测红外光的波长由吸收区基态能级和激发态能级的能量差决定，而能级的相对位置是由材料的结构参数决定，通过设计吸收区的材料参数可实现从近红外波段到太赫兹波段的响应调节。器件工作时，由于红外光的作用使得吸收区量子阱基态能级上的电子跃迁到激发态能级上，光生载流子在激发态能级上向输运区迁移并通过隧穿的方式进入输运区，再通过声子辅助隧穿等方式自主迁移到下一个周期的吸收阱基态能级上，完成载流子的一次迁移过程。

图2所示为实施例1所述器件结构的截面示意图。由于子带跃迁偏振选择性的要求，该器件对入射红外光采用光栅耦合的方式，即在上电极接触层上制作出与入射光波长匹配的一维或二维光栅结构，红外光从上表面垂直入射，通过衍射后转变为具有能被量子阱吸收的电场分量的红外光。

该结构采用分子束外延技术（MBE）在蓝宝石衬底上生长，材料生长和器件制备流程如下：

（1）在蓝宝石衬底上先生长3 µm 的AlN缓冲层；

（2）在AlN缓冲层上接着生长600 nm的Ge掺杂n型Al_0.5Ga_0.5N下电极接触层，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3；

（3）在n型Al_0.5Ga_0.5N下电极接触层上再生长15个周期的吸收区和输运区结构；其中，单个周期的吸收区含5个耦合的GaN/AlN多量子阱结构，GaN 层与AlN层的厚度均为1.5nm，GaN势阱层n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，输运区含8个耦合的AlGaN/AlN多量子阱结构，各层厚度均为1.5 nm，AlGaN势阱层从第一个量子阱开始Al组分依次为70%，60%，50%，35%，30%，25%，10%，5%；

（4）生长完吸收区和输运区结构后，再生长300 nm的Ge掺杂n型Al_0.5Ga_0.5N上电极接触层，掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3；

（5）生长完成后的外延片先采用全息曝光技术和ICP刻蚀技术在表面制作出一维光栅结构，光栅周期为1.5 µm，占空比50%；

（6）再采用光刻工艺和ICP刻蚀工艺将材料样品的部分区域刻蚀至n型Al_0.5Ga_0.5N下电极接触层，形成边长为200 µm的正方形台面结构；

（7）采用电子束蒸发技术在台面结构之上和刻蚀后露出的n型Al_0.5Ga_0.5N表面沉积厚度为20 nm/100 nm/30 nm/200 nm的Ti/Al/Ti/Au复合金属电极；

（8）制作电极后的样品在氮气氛围中750℃退火15 s；

（9）再采用等离子体化学气相沉积技术（PECVD）在样品表面沉积300 nm SiO₂钝化保护层，采用反应离子刻蚀（RIE）技术将金属电极上的钝化保护层刻蚀掉。

图3所示为计算得到的实施例1器件有源层单个周期的吸收区和输运区导带结构与电子波函数分布。根据计算结果，该材料结构参数下吸收区基态能级和激发态能级的能量差约为0.82 eV，意味着将对峰值波长1.5 µm的近红外光产生响应，该波段刚好位于光通信所关注的波段。在该实施例中，输运区的能级位置是通过改变AlGaN势阱层的Al组分来调控，而不是通常采用的厚度变化的方式来调控。这主要是由于吸收区中的GaN势阱层已经只有1.5 nm厚，而输运区的势阱层需要更薄才能实现能级位置的匹配，若再进一步降低厚度将对材料生长提出极高要求。在输运区的第一个势阱中，AlGaN材料的Al组分为70%，此时该势阱的基态能级与吸收区的激发态能级能量基本相同，在输运区随后的量子势阱中，AlGaN材料的Al组分依次减少，并且相邻量子阱的能级能量差约为90 meV，刚好接近GaN材料的纵光学声子能量。当有红外光入射时，吸收区中产生的光生载流子在激发态能级上可以通过共振隧穿的方式进入到输运区第一个量子阱的基态能级上，随后以声子辅助隧穿的方式极快弛豫到下一个周期的吸收区基态能级上，以此循环，在器件中实现光电流信号的导通。

实施例2

图4所示为实施例2所述器件结构的截面示意图。该器件采用周期性圆孔金属电极作为光耦合结构，没有金属的地方为透光区域，红外光入射时与金属电极作用产生等离激元效应，从而形成可发生子带跃迁的电场分量。

该结构采用金属有机化合物化学气相沉积技术（MOCVD）在AlN单晶衬底上生长，材料生长和器件制备流程如下：

（1）在AlN单晶衬底上先生长1 µm 的AlN缓冲层；

（2）在AlN缓冲层上接着生长500 nm的Si掺杂n型GaN下电极接触层，掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3；

（3）在n型GaN下电极接触层上再生长10个周期的吸收区和输运区结构；其中，单个周期的吸收区含5个耦合的GaN/AlN多量子阱，GaN 层与AlN层的厚度均为1.5 nm，GaN势阱层n型掺杂，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3，输运区直接采用25 nm的Al_0.4Ga_0.4N体材料结构；

（4）生长完吸收区和输运区结构后，再生长100 nm的Si掺杂n型GaN上电极接触层，掺杂浓度为5×10¹⁸ cm^-3；

（5）采用光刻工艺和ICP刻蚀工艺将材料样品的部分区域刻蚀至n型GaN下电极接触层，形成直径为100 µm的圆形台面结构；

（6）采用溅射技术在台面结构之上和刻蚀后露出的n型GaN表面沉积厚度为10 nm/50 nm/30 nm/150 nm的Ti/Al/Ni/Au复合金属电极；

（7）再采用光刻工艺和ICP刻蚀工艺将台面结构上的部分金属电极移除，形成直径为2 µm，面积占空比为50%的周期性圆孔电极结构；

（8）制作电极后的样品在氮气氛围中700℃退火1 min；

（9）再采用PECVD技术在样品表面沉积500 nm SiN_x钝化保护层，采用RIE技术将金属电极上的钝化保护层刻蚀掉。

图5所示为计算得到的实施例2器件有源层单个周期的吸收区和输运区导带结构与电子波函数分布。该器件吸收区结构与实施例一的器件吸收区结构完全相同，不同之处在于输运区结构直接采用了25 nm的Al_0.4Ga_0.4N体材料。由于氮化物材料自身存在极化效应，在输运区的体材料中形成了有利于光生载流子输运的内建电场，因此可以直接利用该内建电场实现载流子的单向迁移。器件工作时，吸收区中产生的光生载流子隧穿进入到输运区，再在输运区的连续态能级上迁移到下一周期的吸收区基态能级上。该器件相比于实施例1器件在结构设计和材料生长难度上都有所降低，但是器件的响应速度理论上会变慢。

Claims

1.具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其特征在于，所述器件的材料结构自下至上包括：衬底、缓冲层、下电极接触层、有源层和上电极接触层；

所述有源层的总周期数为1至20，单个周期包括吸收区和输运区；所述吸收区由多个阱宽相同的量子阱构成，或者所述吸收区由多个沿载流子输运方向阱宽逐渐增大的量子阱构成，量子阱的材料至少包括低Al组分的AlGaN/ 高Al组分的AlGaN、InGaN/AlGaN、InGaN/InAlN材料体系，量子势阱n型掺杂，掺杂浓度在5×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁹ cm^-3之间，厚度为0.001 µm至0.01 µm，量子势垒的厚度为0.001 µm至0.01 µm；所述输运区由多个耦合的量子阱构成，或直接由体材料构成，所述输运区由多个耦合的低Al组分的AlGaN/ 高Al组分的AlGaN、InGaN/AlGaN、InGaN/InAlN量子阱构成或直接由单一体材料构成，量子势阱和势垒的厚度在0.001 µm至0.01 µm之间，体材料的厚度为0.01 µm至0.2 µm，Al组分任意可调。

2.根据权利要求1所述的具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其特征在于：所述衬底为蓝宝石、氮化镓、氮化铝、硅中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其特征在于：所述缓冲层为超晶格结构，超晶格结构材料中至少包括AlGaN、InGaN、InAlN；所述超晶格结构的厚度为0.01 µm至20 µm，超晶格结构中材料各层的厚度为0.005 µm至0.02µm，材料组分任意可调。

4.根据权利要求1所述的具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其特征在于：所述下电极接触层至少包括AlGaN、InGaN、InAlN，材料组分任意可调，n型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10²⁰ cm^-3之间；所述下电极接触层的厚度为0.2 µm至10 µm。

5.根据权利要求1所述的具有多吸收量子阱的光伏型氮化物子带跃迁红外探测器，其特征在于：所述上电极接触层至少包括AlGaN、InGaN、InAlN等材料，材料组分任意可调，n型掺杂浓度在1×10¹⁷ cm^-3至1×10²⁰ cm^-3之间；厚度为0.05 µm至0.5 µm。