CN1168152C - 无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器。该探测器是在GaAs衬底上通过分子束外延依次形成下电极层、多量子阱和上电极层。上电极层为平面形，然后在其上蒸镀一定厚度的金属层。在红外光的辐照下，它可以在量子阱区域形成与典型的光栅耦合效率相似的横向传播光波。随着大规模及超大规模焦平面器件的发展，上电极层上制备均匀的光栅变得越来越困难，而采用本发明的金属薄膜光电耦合设计将可完全克服这一工艺困难，对发展大规模焦平面器件是很有利的。
Description
本发明涉及GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器，具体涉及无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器。
在目前的量子阱红外探测器中，最接近商业性生产的是n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件，目前已有法国、美国等公司即将完成商业开发，其规模已到256×256甚至512×512，为此焦平面上的光敏元尺寸在线度上也达到了30微米甚至更小的程度。但由于在原理上这类红外探测器对正入射的红外辐射无响应，人们必需在焦平面器件上采用光栅耦合的基本结构。光栅的具体结构参数对红外辐射的耦合效率较为敏感，为此光栅必需进行精细地制备，这无疑增加了量子阱红外焦平面器件的制备难度，使器件在刻蚀工艺的精度控制上需要从对30微米尺度图形的控制提高到对3微米尺度图形的控制。虽然光栅结构给量子阱红外焦平面器件制备，特别是大规模焦平面器件制备带来了较大的困难，但光栅是量子阱焦平面探测器中最适合实际应用的结构，目前被广泛地应用于焦平面器件的研究开发中。见参考文献Shmuel I.Borenstain et.al.Optimizedrandom/ordered grating for an n-type quantum well infrared photodetector APPLIEDPHYSICS LETTERS Vol.75 NO.17 p2659 Y.Fu et.al.Optical coupling inquantum well infrared photodetector by diffraction grating JOURNAL OF APPLIEDVol.84 NO.10 p5750。人们也清楚地看到，量子阱器件在正入射条件下不能实现探测已构成了这类探测器的主要缺点之一，虽然光栅的制备可以解决这一原理上的缺点，但这是通过牺牲了工艺上的简便性来实现的。所以人们期望着能有一种不牺牲工艺的简便性，同时又能象光栅那样进行有效光电耦合的焦平面器件。
本发明的目的就是提供一种制造工艺大大简化，而性能上能达到同样效果的无需光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器。
本发明的无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件包括：在一GaAs衬底上，通过分子束外延依次生长Si掺杂的GaAs下电极层，交替生长30-50个周期的AlGaAs势垒和Si掺杂的GaAs势阱形成一个多量子阱，然后在多量子阱上生长Si掺杂的GaAs上电极层，最后蒸镀一层金属层。所说的上电极层厚度应小于红外光在多量子阱中的波长。所说的金属层面积应等于上电极层的面积，不能超出上电极层，以防金属渗透到多量子阱层侧面形成短路，厚度至少应200纳米，并且要均匀到能保证每个光敏元上的红外光通过率小于10-4，金属层材料应有很大的负折射率和导电性较好的如金、银、金锗镍合金金属材料。
本发明的核心是不再将上电极层刻蚀成光栅形，而是平面形，再在平面形的上电极层上蒸镀一层金属层，蒸镀方法采用常规器件工艺中使用的热蒸发镀膜手段，与器件工艺中原本就有的金属电极制备工艺完全一致，金属层的厚度一般取200纳米，并要保证每个光敏元上的红外光通过率小于10-4。
本发明最重要的优点也在此体现，光栅的制备通常要制备3微米线度上的周期性结构，且其深度对光栅耦合效率十分敏感。为此，在常规的器件制备中，光栅的精确制备是整个工艺中最关键步骤之一，同时又是难度最大的工艺环节。本发明采用的工艺路线完全摆脱了光栅制备这一工艺环节，而金属层的制备完全是器件工艺中的常规金属电极制备工艺，其难度属于器件制备中最简单的环节之一。所以本发明的结构是用器件工艺中的最简单工艺取代了最复杂的工艺环节。
下面我们结合附图对本发明实施方式作详细的阐述：
图1为GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器结构示意图；
图2为图1的GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面探测器x-y平面放大的多元列阵排列示意图；
图3为光栅耦合构型的任一单元放大示意图；
图4为平面耦合构型的任一单元放大示意图；
图5为光栅耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播矢量分布图；
图6为平面耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播矢量分布图；
图7为光栅耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播光波模式分布图；
图8为平面耦合构型在多量子阱区域的红外光场传播光波模式分布图。
见图1，用分子束外延技术在GaAs衬底1上依次生长厚度为1μm Si掺杂的GaAs下电极层2，掺杂浓度为1018/cm3；之后交替生长50个周期的Al0.3Ga0.70As势垒和掺杂浓度为5×1017/cm3 Si掺杂的GaAs势阱，形成一个多量子阱层3，其Al0.3Ga0.70As势垒的厚度为50nm，GaAs势阱的厚度为5nm；随后生长厚度为1μm掺杂浓度为1018/cm3 Si掺杂的GaAs上电极层4；再蒸镀厚度为300纳米的AuGeNi/Au金属层5。
下面来考察其对红外光的耦合效率与常规的光栅耦合效率间的差别：
图5、6所不的是在量子阱区域的x-y平面中红外光光场的分布情况。红外光的入射仍是采用红外焦平面器件应用中的背照射方式，即红外光是从GaAs衬底处入射，经过GaAs衬底后进入量子阱层再达到金属层。在此，金属层与上电极层界面与量子阱层的距离仅为1微米，考虑到GaAs材料的折射率3.3，界面与量子阱层的光程为3微米，小于红外响应波段的波长8-12微米。所以本发明在原理上的核心是器件结构中对红外响应的量子阱层与金属/半导体界面光程小于器件探测波长。在此条件下，入射光在量子阱层中的光程分布如图5、6所示，图5给出了传统的周期性方形孔形成的光栅产生的光场分布，在沿x-y方向上的光场振荡就是表征了已有光波沿x-y方向传播，这种光波是在原理上可与量子阱中的子带跃迁耦合并形成红外探测响应的，量子阱红外探测器就是要这种波的强度得到充分的加强。再看当器件的上电极层为平面形.其上有一层金属层时，量子阱区域的光场分布由图6给出，与由光栅产生的光场分布有十分相似的结果，这表明了单一的金属层也可产生很好的光场耦合。
为了能更清晰地看到对正入射红外光耦合的能力，我们在图7、8给出了在量子阱区域沿x，y方向传播的光波模式分布。为了有最高的耦合效率，我们希望有沿x，y方向尽可能大的分量qx，qy，类似于图5、6。 图7、8给出了在常规的光栅耦合与用本发明提出的金属层耦合情况下，量子阱区域的光波模式，即qx，qy的分布。比对这两种情况，我们发现采用简单的金属层耦合，qx，qy的模式更多地集中在较大的值上，在模式的分布上明显优于常规的光栅耦合。这表明本发明提出的金属层耦合在耦合效率上也是有一定的优势。
本发明的积极效果和优点如下：
1本发明是在GaAs/AlGaAs多量子阱焦平面红外探测器的光电耦合构造中提出新的简单设计，它可取代传统的光栅耦合这一主要途径，而采用器件制备中必需完成的电极工艺。这样可大大降低焦平面器件的制备工艺难度，并可明显克服由于光栅制备的不均匀性带来的焦平面器件不均匀性，对进一步改善量子阱红外焦平面器件的均匀性会产生积极作用；
2由于量子阱红外焦平面探测器的主要优点之一是对大规模甚至超大规模焦平面的制备，为此，光敏元向小尺寸发展是必然趋势，随着光敏元尺寸的减小，光敏元上制备均匀的光栅变得越来越困难，而采用本发明的金属薄膜光电耦合设计将可完全克服这一工艺困难，为此对发展大规模焦平面器件是很有利的。
Claims (3)
1.一种无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件，包括：在一GaAs衬底(1)上，通过分子束外延依次生长Si掺杂的GaAs下电极层(2)，交替生长30-50个周期的AlGaAs势垒和Si掺杂的GaAs势阱形成一个多量子阱(3)，在多量子阱(3)上生长Si掺杂的GaAs上电极层(4)，其特征在于：
上电极层为平面形，然后在其上蒸镀一层金属层(5)；
所说的上电极层厚度应小于红外光在多量子阱中的波长；
所说的金属层面积应等于上电极层的面积，厚度至少应200纳米。
2.根据权利要求1的一种无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件，其特征在于：所说的金属层厚度误差应保证每个光敏元上的红外光通过率小于10-4。
3.根据权利要求1的一种无光栅耦合的n型GaAs/AlGaAs多量子阱红外焦平面器件，其特征在于：所说的金属层材料为具有很大的负折射率和导电性较好的金、银或者金锗镍合金材料。
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