CN1314711A - 多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片,包括在GaAs衬底上依次生成的下电极层、多量子阱半导体激活层、上电极层、金属上电极。上电极层由可产生固定电荷的Bi₂Ti₂O₇薄膜材料制成,从而形成了由金属层、氧化膜层和半导体激活层组成的MOS结构。该结构在红外光的辐照下,可以在量子阱区域形成比已有的光伏探测器更强的光伏信号和比光导探测器更小的直流暗电流。该发明还介绍了量子阱的具体结构设计、掺杂条件、偏置电压条件等。

Description

多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片

本发明涉及红外光电探测器，具体涉及多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片。

光敏元芯片是红外焦平面探测器件的核心部件。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通过空间上电学与光学分离的探测象元组成。由于红外焦平面光导型器件存在较大的直流特性为主导的暗电流，这一直流特性暗电流要求读出电路具有足够大的电容与之适应，而这一电容已被读出电路加工的微电子工艺所限制，且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。基于红外焦平面光导型器件的上述缺点，人们期望能构造一种光伏型结构芯片予以解决。如中长波红外焦平面器件HgCdTe、InSb等都是采用光伏型结构芯片。但目前人们已提出的光伏型结构芯片在器件工作温度与响应率及探测率均不及光导型器件优越，具体参见A four-color quantum well infrared photodetector APPLED PHYSICSLETTERS 74(9)p1335；A GaAs/AlAs/AlGaAs and GaAs/AlGaAs stackedquantum well infrared photodetector for 3-5 and 8-14μm detectionJ.Appl.Phys.76(4)p2538。因此对于任何一种光伏型量子阱结构芯片，只要能将光伏型器件性能作显著改善都是很有实用价值的。

本发明的目的就是提供一种能将器件性能作显著改善，特别是器件的直流特性为主导的暗电流接近零的多量子阱红外焦平面光伏型结构芯片。

为了达到上述目的，本发明设计方案如下：

利用薄膜生长技术，在GaAs衬底上依次生长下电极层、对红外光有光电转换作用的多量子阱半导体激活层、上电极层、上电极。多量子阱半导体激活层是由50个周期的势垒和势阱交替生长而成；上电极层由可产生固定电荷的Bi₂Ti₂O₇薄膜材料制成；上电极由AuGeNi/Au材料制成，从而形成了由金属层、Bi₂Ti₂O₇氧化膜层和多量子阱半导体激活层组成的MOS结构。所说的多量子阱半导体材料为GaAs/AlGaAs或GaAs/InGaAs或Si/GeSi。

本发明的核心是将上电极层用可产生固定电荷的Bi₂Ti₂O₇氧化膜层替代原来的掺杂半导体层，从而提出了一种新的光伏型量子阱红外探测器原理。这一原理独立于目前采用的光伏型量子阱红外探测器的基本机理，且可以继续保留光导型器件的高响应率特性。

为了便于说明，我们将以典型的GaAs/AlGaAs多量子阱为例，结合附图，作详细阐述。

附图说明：

图1为MOS型GaAs/AlGaAs多量子阱红外光伏探测器光电响应的能带示意图，

图2为MOS型GaAs/AlGaAs多量子阱红外光伏探测器功能实施示意图。

本发明的基本机理如图1所示，由红外光1在掺杂量子阱中将处于基态的电子401激发到激发态上，形成探测器的光电子402。这一光电子在其处于激发态上的寿命期内受氧化物薄膜层中固定正电荷403产生的内建电场作用下向低电位区域漂移，这一漂移过程与光导型的量子阱红外探测器中的光电子行为是相同的。光电子漂移到氧化层与多量子阱半导体层的界面处积累，改变了内建电场分布，从而与量子阱半导体层和氧化膜层中的固定正电荷之间形成一种区别于无红外光激发时的电压信号，形成光生电压404。由于有绝缘性能很好的氧化膜层存在，在器件中将不形成光生电流，但形成光生电压，这就是典型的光伏器件特性。当氧化膜层中形成的是固定的负电荷405时，同样可形成光生电压，只是光生载流子将向远离氧化层的方向漂移，与量子阱中的杂质正电荷中心之间形成光生电压信号。

这一设计的优点在于光生载流子的迁移特性是与光导型GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器一致的，只是在光导型器件中电场是外加偏置电压形成的，它会导致较大的直流型暗电流，而在此时由氧化膜层中的固定电荷产生的内建电场，不会形成直流型暗电流。目前已有的GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器中的多种光伏型器件的响应率与探测率性能不及光导型器件优越的关键是光生载流子的迁移能力弱于光导型器件，而本发明的光伏型器件中的光生载流子迁移特性于光导型器件相一致，为此有可能形成一种性能与光导型器件相似的光伏型器件，它将使器件在焦平面应用中的读出电路积分时间大大地增加，这对焦平面器件的制备十分有利。

本发明的具体实施方案如下：

我们仍以GaAs/AlGaAs多量子阱材料为例。

1．芯片的薄膜材料生长：

采用分子束外延(MBE)或金属有机气相沉积(MDCVD)薄膜生长技术，在GaAs衬底2上依次生长：

下电极层3:10¹⁸/cm³浓度的Si掺杂GaAs，厚度为1μm；

多量子阱层4:{Al_0.3Ga_0.7As，厚度为50nm+GaAs Si掺杂浓度为10¹⁸/cm³，厚度为5nm}×50个周期+Al_0.3Ga_0.7As，厚度为50nm；

然后采用化学沉积法生长上电极层5Bi₂Ti₂O₇，厚度为0.1μm；

最后采用真空蒸发生长上电极6AuGeNi/Au；下电极通过化学腐蚀的方法，把部分下电极层以上的材料全部去除，刻蚀出一个探测单元的台面，在裸露的下电极层上真空蒸发下电极7 AuGeNi/Au。

2．芯片的45度角制备：

原理性的器件可采用45度入射耦合的方法将红外光与量子阱中的电子跃迁相互耦合，如图2所示，45度角是采用机械抛光的方法在GaAs衬底材料上形成的。

芯片工作条件如下：

将芯片放置在一个带有红外波段光学窗口的致冷杜瓦中。对于设计在红外响应波段为8-10微米的器件，需将芯片致冷到约80K。随后将红外光照射在器件芯片上，红外光的入射方向与器件芯片之间的角度关系由图2所示，即入射光垂直于45度角的抛光面，此时器件将产生相应的光伏信号。

上述实施例的结构特征，其能带结构如图1所示。在量子阱区域存在Si的n型掺杂，此时既有Si杂质电离后的固定正电荷和可迁移的电离电子，又有氧化膜层中的一些固定电荷，它们将同时产生静电场，它也是器件MOS结构的内建电场，这些固定电荷的数量在量子阱上有3-5伏电压的程度。

本发明可以有如下积极效果和优点：

1．相对于目前在量子阱探测器中提出的光伏型器件芯片结构，本发明提出的MOS型光伏器件芯片结构能更有效地将光电子在实空间上与杂质正电荷中心分离，并确保光生载流子的迁移能力与目前该类量子阱红外探测器中的最有效的光导型器件相似。这样就有效地提高了红外光的响应率和器件工作温度，同时由于它又具有很小的直流型暗电流，在焦平面器件应用中可采用长时间积分的模式，有效地提高光信号的探测灵敏度与温度分辨率。

2．本发明采用MOS结构，并应用了在氧化层中的固定电荷特性形成内建电场，替代了通常的光导型器件中的偏置电压形成的电场，它在光生载流子的传输特性上又与光导器件相似，从而有着比目前提出的光伏型量子阱红外探测器更大的光伏信号，能满足在液氮温度下进行工作的条件。

Claims (3)

1一种多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片，包括：在GaAs衬底(2)上依次生长下电极层(3)、对红外光有光电转换作用的多量子阱半导体激活层(4)、上电极层(5)、上电极(6)，其特征在于：

多量子阱半导体激活层是由50个周期的势垒和势阱交替生长而成；上电极层由可产生固定电荷的Bi₂Ti₂O₇薄膜材料制成；上电极由AuGeNi/Au材料制成，从而形成了由金属层、Bi₂Ti₂O₇氧化膜层和多量子阱半导体激活层组成的MOS结构。

2根据权利要求1一种多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片，其特征在于：所说的GaAs衬底(2)上有一采用机械抛光方法形成的45度入射角。

3根据权利要求1一种多量子阱红外焦平面光伏探测器的光敏元芯片，其特征在于：所说的多量子阱半导体激活层是由GaAs/AlGaAs或GaAs/InGaAs或Si/GeSi材料制成。

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