CN1953214A

CN1953214A - 隧道补偿多有源区红外探测器

Info

Publication number: CN1953214A
Application number: CN 200610114664
Authority: CN
Inventors: 沈光地; 邓军; 徐晨
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2006-11-21
Filing date: 2006-11-21
Publication date: 2007-04-25

Abstract

隧道补偿多有源区红外探测器属于半导体光电子领域。传统红外探测器件，光电流的大小与量子阱的个数无关，暗电流大；响应速度低，噪声较大，吸收谱带宽较窄。本发明衬底上生长下接触层，然后生长多量子阱区，上接触层，制作台面和电极，特征在于多量子阱区包括至少一个基本单元形成的重复结构，基本单元依次为阻挡势垒、N型红外吸收区和P型势垒层；N型红外吸收区和P型势垒层重掺杂并形成隧道结；阻挡势垒厚度为30～50nm；其禁带宽度大于N型红外吸收区所使用的半导体材料禁带宽度，且其导带底高于N型红外吸收区材料导带底。本发明具有大的光响应，且光电流随红外吸收区的增加而增大，暗电流低，低功耗低噪声，光响应速度快，有较宽的吸收光谱。

Description

隧道补偿多有源区红外探测器

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多有源区红外探测器，属于半导体光电子技术领域。

背景技术

传统的中长波长多量子阱或超晶格结构红外探测器主要为GaAs/Ga_1-xAl_xAs材料系统或In_xGa_1-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，得到传统的中长波长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/Ga_1-xAl_xAs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Ga_1-xAl_xAs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，即提高量子阱的个数不能提高光电流；2、器件工作时需要有补偿电流的存在以保证稳定的光电导，因此器件的暗电流大；3、器件的工作电压低，载流子很难获得高速，因此器件的响应速度低；4、较大的暗电流导致器件的噪声较大；5、器件的吸收谱带宽较窄(见图4)。

发明内容

本发明的目的在于克服了上述现有技术的缺点，提供一种大光电流、高响应速度的红外探测器件。

为达到上述目的，本发明的隧道补偿多有源区红外探测器件采用了全新的物理思想，利用外延生长技术和传统的半导体材料工艺，设计制作了全新的隧道补偿多有源区红外探测器。

本发明提供了一种隧道补偿多有源区红外探测器，依次包括衬底6上生长N型下接触层4，然后生长多量子阱区，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，其特征在于，所述的多量子阱区包括至少一个(一般可为30-50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、N型红外吸收区10和P型势垒层11；

其中N型红外吸收区10和P型势垒层11均为重掺杂并形成隧道结；

阻挡势垒9的厚度为30～50nm；其禁带的宽度应大于N型红外吸收区10所使用的半导体材料的禁带宽度，并且其导带底应高于N型红外吸收区10材料的导带底。

本发明的P型势垒层11、N型红外吸收区10形成的结可以是由两种不同的半导体材料构成异质结，也可以是由同种半导体材料构成同质结，结两侧均为简并掺杂。

本发明的阻挡势垒9是本征型(非故意掺杂)宽禁带半导体材料。

该器件利用MOCVD或MBE等外延生长工艺制备。具体的制作工艺采用常规工艺如下：在半绝缘衬底6上通过采用陡变高掺杂、高均匀材料生长等技术外延生长N型下接触层4，然后顺序生长包括阻挡势垒9、N型红外吸收区10和P型势垒层11在内的重复结构，最后是P型上接触层2，得到具有光电流逐级增强弹道输运红外探测器件的外延材料。

N型红外吸收区10和P型势垒层11均为重掺杂，以保证实现价带到导带的隧穿。传统结构的多量子阱红外探测器一般是由N型势阱和i型势垒组成，不存在P型势垒，且其N型区的掺杂一般为高掺杂。本结构中利用重掺杂P型势垒层和重掺杂N型红外吸收区形成量子阱结构的同时，还利用了两重掺杂层间形成隧道结来实现隧道补偿机制。

在保证不被耗尽的情况下，P型势垒层11应尽可能的薄，以减少吸收损耗。在传统的多量子阱结构中只有N型量子阱层为高掺杂区，其掺杂的目的是为了引起对入射光更大的吸收，得到更大的光电流。本结构中由于采用隧道补偿机制，引入重掺杂P型势垒，其对入射光也存在很大的吸收，但与N型吸收区不同的是在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。

在保证不被耗尽的情况下，N型红外吸收区10应能形成电子势阱，因此，其厚度由掺杂和吸收波长决定。在传统的器件结构中，器件的吸收波长由量子阱中子能级位置来确定，而子能级的位置受到量子阱层的厚度和势垒高度的影响，因此，一旦确定了器件的吸收波长，器件量子阱的厚度和势垒的高度也就相应地确定。本结构中， N型红外吸收区实际为两个部分，一部分是由于与P型势垒形成隧道结而被耗尽的区，被耗尽区的厚度取决于P型势垒层和N型红外吸收区的掺杂浓度。如果P型区掺杂浓度一定，N型区掺杂浓度越高，则被耗尽区越薄。N型吸收区另一部分未耗尽区应形成一个电子势阱，其作用等同于传统多量子阱探测器中量子阱层，其厚度根据器件的探测波长确定。

阻挡势垒9应为本征型材料，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应有一定的厚度(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，虽然可以提高器件的光电流，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。

另上N型下P型的结构也可以，只是生长时的顺序反过来：在衬底上先生长P型接触层，然后在生长多量子阱区，其中的基本单元结构的生长顺序为P型势垒层11，N型红外吸收区10，阻挡势垒9，最后生长N型接触层和制作金属电极。以上这些变化都不脱离本发明的范围。

本发明的物理思想和器件结构可以应用于不同的半导体材料系统。器件基本单元中：P型势垒层11、N型红外吸收区10形成的结可以是由两种不同的半导体材料构成异质结，也可以是由同种半导体材料构成同质结，结两侧均为简并掺杂，以保证价带到导带的隧穿。阻挡势垒9是本征型(非故意掺杂)宽禁带半导体材料，其禁带的宽度应大于N型红外吸收区10所使用的半导体材料的禁带宽度，并且其导带底应高于N型红外吸收区10材料的导带底，从而保证形成电子势垒。此外，阻挡势垒9材料的选择对探测器的探测波长有很大的影响，形成的电子势垒越高，探测波长越短。

本发明的能带示意图具体参见图3(以p⁺-GaAs/n⁺-GaAs/i-Ga_1-xAl_xAs为例)，本发明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，N型红外吸收区10内的电子不能在工作电场下逃逸而形成电流，因此N型红外吸收区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12，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。(见图5)。当器件的N型红外吸收区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P型势垒层11和N型红外吸收区10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N型红外吸收区，上述过程在每通过一个N型红外吸收区时，都会再次发生，直到光电流被电极收集。由此可见，本发明中光电子的平均输运速度比在传统结构中快很多，即响应速度高，理论计算可以达到ps水平。同时由于大量的电子从N型红外吸收区10激发出去，在N型红外吸收区10会产生大量的空位，P型势垒层11中的价带电子会以极快的速度隧穿到N型红外吸收区10填补这些空位，形成隧穿电流12。这意味着补偿电流不再像传统的红外探测器由前一个阱提供，光生电流可以在高电场下直接被电极收集，即光电流会随红外吸收区数目的增加而增大(见图6)。

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。此外，由于器件中的电子势阱形状受外加偏压的影响，因此，本结构器件的吸收波长可由外加偏压调整(见图7)。传统的多量子阱红外探测器的吸收波长是不能随偏压的改变而改变的。本发明的这一特性对器件的使用者是有重要意义的。在实际应用中，采用本发明器件的用户可以根据实际探测波长的需要，改变器件的偏压就可以对所需的波长进行探测，而不需要购买新的探测器。

本发明中通过控制上述基本单元中P型势垒层11、N型红外吸收区10的掺杂浓度，N型红外吸收区10的宽度，以及阻挡势垒9的禁带宽度，可以方便的调整器件的红外吸收波长。量子阱探测器的吸收波长主要由量子阱的势阱宽度和势垒高度来确定，因此器件结构中，调整势阱的宽度和势垒的高度都可以明显地改变探测器的吸收波长。在本结构中，势垒的高度与阻挡势垒9材料的禁带宽度正比，势阱的宽度与N型吸收区10的宽度成正比，因此通过在外延时调整N型红外吸收区的宽度和阻挡势垒9的组分(即调整禁带宽度)可以方便地制作出所需探测波长的器件结构。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

1)具有大的光响应，且光电流随红外吸收区的增加而增大(见图8)。

2)具有非常低的暗电流，实验结果在～10^-8A，比传统结构低两个量级，其导致器件的低功耗和低噪声，实验测得的噪声在0.6pA/Hz^1/2。

3)器件的光响应速度快，理论计算小于10ps。

4)器件有较宽的吸收光谱(见图9)。

5)器件的吸收波长可由外加偏压调整。

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：本发明的能带示意图。

图4：传统多量子阱红外探测器QWIP材料的吸收谱。

图5：传统QWIP和本结构QWIP的暗电流理论计算结果。

图6：传统QWIP和本结构QWIP的光电流理论计算结果。

图7：器件吸收波长随偏置的变化。

图8：具有不同量子阱数的器件特性比较。

其中：Is为光电流，In为噪声电流，SN为信噪比。

图9：本发明材料的吸收谱。

具体实施方式

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/Ga_1-xAl_xAs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⁺-Ga_1-xAl_xAs、n⁺-GaAs和i-Ga_1-xAl_xAs，其中由p⁺-Ga_1-xAl_xAs和n⁺-GaAs组成PN结，i-Ga_1-xAl_xAs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。我们也进行了具有不同周期数目量子阱材料的制备和测试，图8显示出具有不同量子阱数目的器件的测试结果，从实验上证明了本结构具有光电流随阱数的增加而增加的特性。

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。本结构上接触层2可为N型，或为P型。本结构的基本单元中，P型势垒层11可以为宽带隙材料，也可以为窄带隙材料，其对器件的性能和工作不构成影响。本结构的基本单元中，N型红外吸收区10可以是体材料或是量子阱、超晶格材料，其对器件的性能和工作不构成影响。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

1、一种隧道补偿多有源区红外探测器，依次包括衬底(6)上生长N型下接触层(4)，然后生长多量子阱区，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)，其特征在于，所述的多量子阱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)、N型红外吸收区(10)和P型势垒层(11)；

其中N型红外吸收区(10)和P型势垒层(11)均为重掺杂并形成隧道结；

阻挡势垒(9)的厚度为30～50nm；其禁带的宽度大于N型红外吸收区(10)所使用的半导体材料的禁带宽度，并且其导带底高于N型红外吸收区(10)材料的导带底。

2、根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述的P型势垒层(11)、N型红外吸收区(10)形成的结是由两种不同的半导体材料构成异质结，或者是由同种半导体材料构成同质结，结两侧均为简并掺杂。

3、根据权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述的阻挡势垒(9)是本征型宽禁带半导体材料。