CN204230260U - 势垒级联量子阱红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种势垒级联量子阱红外探测器，它由一化合物半导体材料衬底，在衬底上交替生长七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。由于本专利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红外探测器更强的光电信号，从而更加适用于量子阱红外焦平面器件用。
Description
技术领域
本专利涉及一种量子阱红外探测器，具体涉及一种势垒级联量子阱红外探测器。
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立的探测器像元组成。相比于碲镉汞探测器，量子阱红外探测器具有材料生长和工艺成熟、大面积阵列均匀性好、成品率高、成本低的优点，但量子效率较低，以至于响应率较低，所以对于量子效率与响应率的优化尤为重要。
量子阱红外探测器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，若能对这些冗余电子态进行有效利用，则对于量子阱红外探测器的性能改善具有实用价值。
目前人们提出了一种量子级联探测器结构，基于声子辅助隧穿机制，具有光伏特性。见参考文献L.Gendron et.al.“Quantum cascade photodetector”,Applied Physics Letters Vol.85,Daniel Hofstetter et.al.“23GHz operation of aroom temperature photovoltaic quantum cascade detector at 5.35μm”,AppliedPhysics Letters Vol.89.器件的响应率虽然不及光导型器件优越，但工作温度较高，并且级联输运机制可以被应用到光导型器件中，使探测性能得到改善。
发明内容
本专利的目的是提供一种势垒级联量子阱红外探测器的基本机理，利用光电子在耦合量子阱中的声子辅助隧穿机制，对经典的量子阱红外探测器势垒区进行优化，设计出一种在结构上独特的量子阱红外探测器，增加了一种光电响应机制，使其光电性能明显增强。
本专利的设计方案如下：
一种势垒级联量子阱红外探测器，它包括衬底1，多量子阱2，上电极3，下电极4，其特征在于：
所述的一种势垒级联量子阱红外探测器的结构为：在衬底1上生长有下电极层、多量子阱2和上电极层，在下电极层上制备下电极4，在上电极层上制备上电极3；
所述的衬底1为GaAs衬底；
所述的多量子阱2的结构为：
C1L1(AL2AL2AL2…A)L1C2
其中：C1为下电极层，C2为上电极层；L1是厚度为40到60nm宽势垒层；L2是厚度为2到3nm的势垒隔离层；A为多量子阱耦合结构的基本探测单元，其结构为：
QW1 L1’QW2 L2’QW3 L3’QW4 L4’QW5 L5’QW6 L6’QW7
C1与C2均为Si重掺杂的GaAs薄膜层，C1厚度为0.5到1μm，C2厚度为2到3μm；QW1—QW7为量子阱层，其中QW1是厚度为6.8到8nm Si掺杂的GaAs层，QW2—QW7是厚度为2到5.4nm的非掺杂的GaAs层；L1’—L6’是厚度为3.1到6nm的非掺杂AlGaAs层；以A为单一周期，重复30-50个周期；所述的上电极3和下电极4为依次沉积厚度为100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制备成；
L1’QW2L2’QW3L3’QW4L4’QW5L5’QW6L6’QW7组成势垒级联结构。
所述的上电极层C2为光栅形状，光栅结构为两维衍射光栅，光栅周期3微米，孔为正方形，边长为1.5微米，深度为1.5微米。
本专利有如下积极效果和优点：
1.本专利由于采用了势垒级联结构，相比于常规光电导型量子阱红外探测器，增加了一种光伏输运机制，对激发态的冗余电子态进行了有效利用，有效的提高了红外光的量子效率和响应率。
2.本专利兼有光电导机制和光伏机制，在工作偏压下，与单一光电导机制的量子阱红外探测器和单一光伏机制的量子级联探测器相比，其量子效率与响应率更高。
3.本专利具有光伏效应，可直接将光信号转化成电压信号，并且光伏信号与结构周期数成正比，相比于光电导型器件，本专利更容易实现光电信号的准确输出与读取。
附图说明
本专利的示意图如下：
图1为本专利的单一周期势垒级联量子阱红外探测器光电响应原理图，最右侧量子阱为下一周期的第一个量子阱QW1；
图2为本专利的势垒级联量子阱红外探测器结构示意图；
图3为图2的势垒级联量子阱红外探测器上电极层C2局部放大剖视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本专利的单一周期势垒级联量子阱红外探测器光电响应原理作详细阐述：见图1，在偏压下，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。这一光电子有两种途径形成光电流：1)输运到连续态，在外加电场下进行定向输运；2)与相邻的耦合量子阱基态发生声子辅助隧穿，从而将光电子转移到相邻的量子阱。
1.多量子阱芯片的制备
例一：
(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生长：
采用分子数外延(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0.5μm；L1为Al0.16Ga0.84As，厚度为40nm；QW1为GaAs：Si，浓度为1017/cm3，厚度为6.8nm；L1’为Al0.16Ga0.84As，厚度为5.65nm；QW2为GaAs，厚度为2nm；L2’为Al0.16Ga0.84As，厚度为3.96nm；QW3为GaAs，厚度为2.3nm；L3’为Al0.16Ga0.84As，厚度为3.1nm；QW4为GaAs，厚度为2.8nm；L4’为Al0.16Ga0.84As，厚度为3.1nm；QW5为GaAs，厚度为3.3nm；L5’为Al0.16Ga0.84As，厚度为3.1nm；QW6为GaAs，厚度为4nm；L6’为Al0.16Ga0.84As，厚度为3.1nm；QW7为GaAs，厚度为5nm；然后以QW1到QW7为一个周期，且每二个周期之间用L2为Al0.16Ga0.84As，厚度为2nm做势垒隔离，重复生长30个周期，最后再生长L1为Al0.16Ga0.84As，厚度为40nm；C2为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为2μm，形成一个多量子阱2。
宽度为6.8nm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，其中第一激发态位置在阱口附近，同时在适当偏压下，第一激发态与相邻的量子阱QW2中的基态能级相差约一个纵光学声子的能量，可通过声子辅助隧穿进行弛豫，同时量子阱QW2，QW3，QW4，QW5，QW6，QW7依次的基态均与相邻量子阱的基态形成声子辅助隧穿状态。在器件中QW1，QW2，QW3，QW4，QW5，QW6，QW7 7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。上下电极均用电子束蒸发依次厚度为100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制备而成。
(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，光栅结构为两维衍射光栅，光栅周期3微米，孔为正方形，边长为1.5微米，深度为1.5微米，见图3，使入射的红外光能被充分的耦合到量子阱中去，产生量子阱QW1中的电子从基态向第一激发态跃迁。
例二：
(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生长：
采用分子数外延(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0.75μm；L1为Al0.15Ga0.85As，厚度为50nm；QW1为GaAs：Si，浓度为1017/cm3，厚度为7.6nm；L1’为Al0.15Ga0.85As，厚度为5.8nm；QW2为GaAs，厚度为2.2nm；L2’为Al0.15Ga0.85As，厚度为4.1nm；QW3为GaAs，厚度为2.5nm；L3’为Al0.15Ga0.85As，厚度为3.3nm；QW4为GaAs，厚度为3nm；L4’为Al0.15Ga0.85As，厚度为3.3nm；QW5为GaAs，厚度为3.5nm；L5’为Al0.15Ga0.85As，厚度为3.3nm；QW6为GaAs，厚度为4.2nm；L6’为Al0.15Ga0.85As，厚度为3.3nm；QW7为GaAs，厚度为5.2nm；然后以QW1到QW7为一个周期，且每二个周期之间用L2为Al0.15Ga0.85As，厚度为2.5nm做势垒隔离，重复生长40个周期，最后再生长L1为Al0.15Ga0.85As，厚度为50nm；C2为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为2.5μm，形成一个多量子阱2。
宽度为7.6nm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，其中第一激发态位置在阱口附近，同时在适当偏压下，第一激发态与相邻的量子阱QW2中的基态能级相差约一个纵光学声子的能量，可通过声子辅助隧穿进行弛豫，同时量子阱QW2，QW3，QW4，QW5，QW6，QW7依次的基态均与相邻量子阱的基态形成声子辅助隧穿状态。在器件中QW1，QW2，QW3，QW4，QW5，QW6，QW77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。上下电极均用电子束蒸发依次厚度为100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制备而成。
(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，光栅结构为两维衍射光栅，光栅周期3微米，孔为正方形，边长为1.5微米，深度为1.5微米，见图3，使入射的红外光能被充分的耦合到量子阱中去，产生量子阱QW1中的电子从基态向第一激发态跃迁。
例三：
(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生长：
采用分子数外延(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Al0.14Ga0.86As，厚度为60nm；QW1为GaAs：Si，浓度为1017/cm3，厚度为8nm；L1’为Al0.14Ga0.86As，厚度为6nm；QW2为GaAs，厚度为2.4nm；L2’为Al0.14Ga0.86As，厚度为4.3nm；QW3为GaAs，厚度为2.7nm；L3’为Al0.14Ga0.86As，厚度为3.5nm；QW4为GaAs，厚度为3.2nm；L4’为Al0.14Ga0.86As，厚度为3.5nm；QW5为GaAs，厚度为3.7nm；L5’为Al0.14Ga0.86As，厚度为3.5nm；QW6为GaAs，厚度为4.4nm；L6’为Al0.14Ga0.86As，厚度为3.5nm；QW7为GaAs，厚度为5.4nm；然后以QW1到QW7为一个周期，且每二个周期之间用L2为Al0.14Ga0.86As，厚度为3nm做势垒隔离，重复生长50个周期，最后再生长L1为Al0.14Ga0.86As，厚度为60nm；C2为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为3μm，形成一个多量子阱2。
宽度为8nm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，其中第一激发态位置在阱口附近，同时在适当偏压下，第一激发态与相邻的量子阱QW2中的基态能级相差约一个纵光学声子的能量，可通过声子辅助隧穿进行弛豫，同时量子阱QW2，QW3，QW4，QW5，QW6，QW7依次的基态均与相邻量子阱的基态形成声子辅助隧穿状态。在器件中QW1，QW2，QW3，QW4，QW5，QW6，QW77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。上下电极均用电子束蒸发依次厚度为100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制备而成。
(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，光栅结构为两维衍射光栅，光栅周期3微米，孔为正方形，边长为1.5微米，深度为1.5微米，见图3，使入射的红外光能被充分的耦合到量子阱中去，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制冷杜瓦中。红外响应波段为6-10微米，芯片制冷到约80K。仔细地微调器件的偏置电压7，形成良好的声子辅助隧穿条件，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，此时光电子有两种输运机制：1)输运到连续态，在外加电场下进行定向输运；2)与相邻的偶和量子阱基态发生声子辅助隧穿，从而将光电子转移到相邻的量子阱，并且该电子很难反向输运到QW1量子阱中。这一过程的完成就形成了光电流信号(6)。相对于常规量子阱红外探测器，该结构增加了基于声子辅助隧穿的输运机制，增强了器件的响应率并提高了量子效率。
Claims (2)
1.一种势垒级联量子阱红外探测器，它包括衬底(1)，多量子阱(2)，上电极(3)，下电极(4)，其特征在于：
所述的一种势垒级联量子阱红外探测器的结构为：在衬底(1)上生长有下电极层、多量子阱(2)和上电极层，在下电极层上制备下电极(4)，在上电极层上制备上电极(3)；
所述的衬底(1)为GaAs衬底；
所述的多量子阱(2)的结构为：
C1L1(AL2AL2AL2…A)L1C2
其中：C1为下电极层，C2为上电极层；L1是厚度为40到60nm宽势垒层；L2是厚度为2到3nm的势垒隔离层；A为多量子阱耦合结构的基本探测单元，其结构为：
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C1与C2均为Si重掺杂的GaAs薄膜层，C1厚度为0.5到1μm，C2厚度为2到3μm；QW1—QW7为量子阱层，其中QW1是厚度为6.8到8nm Si掺杂的GaAs层，QW2—QW7是厚度为2到8nm的非掺杂的GaAs层；L1’—L6’是厚度为3.1到6nm的非掺杂AlGaAs层；以A为单一周期，重复30-50个周期；所述的上电极(3)和下电极(4)为依次沉积厚度为100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制备成；
L1’QW2L2’QW3L3’QW4L4’QW5L5’QW6L6’QW7组成势垒级联结构。
2.根据权利要求1所述的一种势垒级联量子阱红外探测器，其特征在于：所说的上电极层C2为光栅形状，光栅结构为两维衍射光栅，光栅周期3微米，孔为正方形，边长为1.5微米，深度为1.5微米。
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Cited By (2)
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| CN105789354A (zh) * | 2016-04-15 | 2016-07-20 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种宽光谱量子级联红外探测器 |
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