TW459394B - Superlattice infrared photodetector - Google Patents

Description

五、發明說明（/) 發明背景 傳統上的量子井紅外線偵測器（quantum weU infrared photodetector, QWIP)是針對遠紅外線（& infrared，6〜〗4 微 米）的感測而設計的’可應用在夜視、醫學診測及國防飛彈 系統等方面。所謂的量子型乃是利用電子有波動的特性， 若將其運動的空間加以限制的話，電子可擁有的能量將被 量子化（quantized)，而其間量子化能階差是在紅外線的範圍 内。 在歐洲專利號碼275-150-A所揭示的彳貞測器，其能帶結 構圖如圖一（a)所示’主要是利用不同材料所建立起的能帶 結構，一般而言量子丼是坤化鎵，能障是鋁砷化鎵。在量 子井内’由於電子受到空間限制會形成了兩個侷限能階 (bound state)。在低能階（第一子能階）的電子可吸收紅外線 躍遷到高能階（第二子能階），而這些吸光後的電子，各有一 半的機會向左或向右運動而穿透（tunneling)至相鄰量子井。 為使電子一致向同一方向運動，必須外加一電場使電子向 某一方向穿透機率變大。這種光電子因穿透而造成的光電 流，電場必須大於某一臨界值後才有足夠光電子數被偵測 到，所以外加偏壓都很大。 為使光電流增加，並免除上述的臨界電壓，B. F. Levine 等作者，在其 App. Phys. Lett. 53(4)，25, July 1988 的論 文”High Detectivity D* = l〇'° cmVife/W GaAs/AlGaAs Multiquantum Wei] λ = 8.3又 Infrared Detector”中，將能障高 度降低而使第二子能階變成了所謂的連續型，如圖一（b)所 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

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裝i丨丨！丨訂-丨丨！ —丨I 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（z) 示。這使得光電子容易因電場加速而抵達接s(contact)。但 相對地，這也促使暗電流急劇地增加。為減輕暗電流，能 障厚度增加至50mn，但所得結果並不佳，這是因為暗電流 的導致原因是熱離子放射(thermionic emission，小偏壓時）或 熱辅助穿透（therma丨丨y assisted tunneling，大偏壓時）這兩項 物理機制。它們主要決定於量子井内電子摻雜濃度之佛米 能階（Fermi leve丨)與能障高度間之差值，且熱輔助穿透與電 場大小有關，而兩者與能障寬度的關連性不大。 前述兩者量子井紅外線偵測器，一因臨界電壓的限制， 另一因能障寬度的增加，對一個約略有30〜5〇週期的偵測1 器而§ ’工作點的電壓值在幾伏特範圍内，使得功率消耗 變成值得注意的問題。此外，假使操作點的暗電流也太大 的話’這不僅會使功率消耗問題變得更嚴重，也有可能連 帶影響到讀出電路(read-out circuit)的運作，因為其電容的 谷量了此(因暗電流太大而不夠用。在另一方面，冷卻該類 偵測器最簡單最省成本的方式應為液態氬冷卻，亦即工作 溫度最好在77K。在此情形下，功率消耗低也將促使液態氮 冷卻的時間長久。 為避免多餘功率的消耗，通常均期望偵測器能工作在 背景限制的條件（background limited performance, BLIP) 下’亦即’因背景光子所造成的光電流必須大於其當時的 暗電流。如此則上述量子井紅外線偵測器必須冷卻到約65K 以下’因而也不適用純粹液態氮冷卻（77Κ)的方式。為提昇 背景限制條件下的工作溫度，暗電流必須再減少，美國專 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） (請先閱婧背面之注意事項再填寫本買) -裝！！ —訂·--—II 丨！*^

五、發明說明（多） (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 利證號5198682案提出以逐漸改變相鄰量子井内的摻雜濃 度或者是能障中鋁的成份（即漸變能障高度）等方式來達成減 少暗電流的目的，方法雖是可行，但由於有很多層厚能障 存在’又為使光電子能通過此些能障層，仍必須有強大的 電場存在。如此所造成的功率損耗也會相當可觀。 為減少量子井紅外線偵測器中不當的功率消耗，本案 發明人在 Electrochemical Society Proceedings Vol. 99-22(第 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 485-495頁，〗999年)提出的超晶格紅外線偵測器（SUperiathce infrared photodetector，SLiP)，其中的超晶格結構如圖一（c) 所示，其能障層厚度較薄，約幾nm，因為相鄰位能井内的 電子波函數相互重疊’所以電子原先在多重量子井内的能 階躍遷而能偵測到單一波長，轉變成子能帶間躍遷而可偵 測到長短不同的波長（參閱圖一（c)箭頭所指處），又由能障 層的變薄，幾乎不須外加電場，在第二子能帶的電子可向 左向右自由運動’可大幅降低功率的消耗。此外，為阻播 因第一子能帶電子所造成的暗電流，又要收集第二子能帶 的光電子，我們在超晶格結構後加上一層約5〇 nm的阻擋 層（blocking layer)，如圖一（d)所示。值得注意的是，該阻 棺層的能障高度是必須大於第二子能帶的底部。美國專利 證號5077593案，亦提出相類似的搆想，不過該案所提阻 擋層的能障高度是小於第二子能帶的底部。我們的設計不 但能大幅降低暗電流，又能選擇性挑選所需光電子，亦即 能挑選所偵測光的波長，這是與該專利案最大的不同點。 雖是如此，此類型的偵測器若要在背景限制條件下工作，

459394 五、發明說明（4 ) 根據本案發明人實驗結果得知，也必須冷卻至6〇κ以下。 這是由於阻擋層的能障高度與超晶格内電子摻雜濃度之佛 米能階間之差值不夠大的緣故。 另一種值得一提的超晶格偵測器是美國專利證號 535294案，其在如圖一（d)的偵測器_，即超晶格結構與 阻稽層之間加入一中間接點（interme(jjate c〇ntact)，促使暗 電流由此接點流開。但為使先電子衝過中間接點及阻擋層’ 中間接點的寬度必須夠小，阻擋層的能障高度也必須降低。 此設S·}·雖能達到減低暗電流的目的，但使製造過程變得相 虽複雜·由雙接點結構變成三接點，而且中間接點的連線 相當困難’因為其接點寬度很小。 圖式說明 圖一 量子井及超晶格紅外線偵測器 圖一 (a) 量子井紅外線偵測器工作原理的示意圖 圖一 (b) 連續型偵測器，其能障高度較第二子能階低 圖一 (C) 超晶格結構工作原理的示意圖 圖一 (d) 超晶格紅外線偵測器工作原理的示意圖 囷二 新設計的超晶格紅外線偵測器能帶圖 Γ51 — 囫二 新設計的超晶格紅外線偵測器之響應度對紅 外線波長的變化圖，其中外加偏壓亦是個可 變參數 圖四 新設計的超晶格紅外線偵測器外加偏壓時的 能帶圖 6 本紙張尺度適用中國國家採準（CNS)A4規格⑵(^挪公爱〉 k--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 ΓΝ459394 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 ) 圖 E9(a) 無照光時的情形 圖四（a) 照光時的情形 圖五 新設計的超晶格紅外線偵測器之電流電壓特 典曲線， 背景限制溫度可達77K 圖六 /量子井紅外線偵測器外加偏壓時的能帶圖 圖七丨遺 超晶格結構為InGaAs, GaAs/A丨GaAs所組成 的偵測器 圖八 SiGe超晶格紅外線偵測器 中英文對照表 量子井紅外線偵測器 quantum well infrared photodetector 量子化 quantized 侷限能階 bound state 穿透 tunneling 接點 contact 熱離子放射 thermionic emission 熱輔助穿透 thermally assisted tunneling 佛米能階 Fermi level 讀出電路 read-out circuit 背景限制條件 background limited performance 超晶格紅外線俄測器 superlattice infrared photodetector 阻擋層 blocking layer 中間接點 intermediate contact 視角 view angle ------— — — — — — · I I I I — I I I----I 1 * i請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 7 本紙張尺度適用中㈣家標準（CNS) A4規格⑽x 297公2) 4 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Λ7 B7 五、發明說明（t) 完全同.相成長 fully coherent growth 臨界長度 critical length 發明實例 圖二所示為一個上述抑制暗電流的完整超晶紅外線偵 測器的能帶設計圖，其中超晶格結構是20週期的4 nm Al〇.32Ga0.fi8As/6 nm GaAs，井中挣雜泼度為 5xlOl6cm-3，而 能帶的位置如囷中所標示的^在超晶格結構的兩旁本案外 加厚度為50 nm的鋁砷化鎵阻擋層，它的鋁分量是0.32， 相對應能障高度是239.36 meV，約比第二子能帶之底部高Η meV ° 本實例中的前後阻擋層具有以下的作用： 1. 如同量子井红外線偵測器的厚能障層一般，阻擋層可阻 擋超晶格結構中的暗電流。 2. 利用改變外加偏壓的大小，可控制在阻擋層上壓降的大 小*當在低偏壓下，只有高能量躍遷的光電子能通過而 偵測出較短波長的紅外線，當在高偏壓下時，甚至連低 能量躍遷的光電子也開始通過，而能偵測出各長短波長 的紅外線。 3. 當沒有光電流時，前後兩個阻擋層所受的壓降大致一樣， 以保持有相同的電流通過前後兩個阻擋層。當有電子在 超晶格内受光激發而穿越後阻擋層時，則通過後阻擋層 的總電流就包含了光電流及暗電流。為使前後兩阻擋層 仍保有相同的電流通過，前阻擋層所承受的壓降即會偏 8 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------裝！ <請先間婧背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線. 4 593947 經濟部智慧財J局員工消費合作社印製 __Β7_五、發明說明（7) 高，反之後阻擋層之壓降即會偏低，如此暗電流的通過 量即會相對減少，詳細的圖示說明於後敘述。 有關第2點，參考圖一（d)，由於阻擋層的能障高度是 大於超晶格的第二子能帶底部。在低偏壓時，低能量光電 子是受阻而無法通過阻擋層；當外加電壓逐漸變大時，低 能量光電子所看到的阻擋層能障厚度就逐漸變小，故其亦 開始有機會通過阻擋層，這就是造成上述波長選擇的主要 因素。圖三顯示改變偏壓大小時，圖二實例偵測器所能偵 測到光波長的改變。其中的6.61 μηι及8.37 μηι是超晶格結 構的兩個吸光主峰的相對應波長，而響應度是指每單位功 率的光所造成光電流的大小。由圖三可知，小偏壓（0〜0.5V) 時的窖應度主要是在短波長（即6.6〗μηι附近）大偏壓 (0.55〜0.7V)時，連長波長（即8.37 μπι)的響應度均出現了》 所以利用偏壓本案可控制所能偵測的波長，達到多波長偵 測的目的，不需要像量子井紅外線偵測器一樣，堆疊多種 結構不同的量子井週期，才能達到多波長偵測的目的。而 且量子井紅外線偵測器的操作偏壓需要達到幾個伏特，但 超晶格紅外線偵測器卻只需低於一伏特的偏壓就可操作， 較能符合低功率損耗的要求。 有關第1、3點，請參考圖四，類似於量子井紅外線偵 測器中的暗電流，我們超晶格紅外線偵測器的暗電流，也 主要是起源於熱輔助穿隧效應的機制。也就是說，造成暗 電流的電子，並非以第一子能帶的能量穿隧過阻擋層，而 是因熱能輔助而以更高之能量穿隧。如圖四（a)所示，當沒 9 — II -----— — —— ^1 i I I I I I I 訂-—1!!! (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 本紙張又度適用中國國家標牟（CNS>A4規格（210 X 297公爱） 經濟部智慧財產局負工消费合作社印製 ,* 459394 A7 __B7___ 五、發明說明（s) 有照光時，由於通過前後阻擋層的暗電流必須是一樣的， 即遵守電流連續定律，所以兩阻擋層所受偏壓大小大致相 同。由於熱輔助穿隧電子的能量是小於阻擋層的能障高度 的，所以在低偏壓時，阻擋層可完全阻擋住暗電流《但高 偏壓時，電子所看到阻擋層厚度隨之變小，穿隧機會隨之 變大，而暗電流也因此隨著偏壓增加而變大。如圖四（b)所 示，當偵測器受光時，即會有光電流產生。由於光電流向 右流出後阻擋層的機會比向左流出前阻擋層的機會大得很 多，所以淨光電流僅是向右流出後阻擋層的。因此，穿過 後阻擋層的電流包含光電流及暗電流。為使經過前後阻擋 層的電流是一樣的，前阻擋層所承受的壓降必須增加，以 提供更多的電流，而滿足光電流及暗電流的需求。相對地， 因總壓降是固定的，後阻擋層的偏壓就必須減小。圖四（a) 及（b)兩者所加的總偏壓是一樣的，但由於光電流的因素， 造成電壓分佈的不一樣。此外值得注意的是，光電流的能 量是大於暗電流的（如圖中箭號所在位置高度所表示的），所 以光電流受到後阻擋層偏壓降低的影響是小於暗電流所受 到的影響。又圖中箭號的長度代表著電流的大小，其申由 於後阻擋層壓降的減少，暗電流也隨之變少。因此光電流 對暗電流的比值可提高，相對地，背景限制條件下的工作 溫度也會提高。只要阻擋層能障高度設計得當，即可提高 至77K以上。 圖五所示是本案所舉實例的電流對電壓的關係圖，其 中的實線是暗電流在不同溫度下（50K〜140K)的變化趨勢， 10 本紙張尺度遶用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------裝----—丨訂-- ------線- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

五、發明說明（f ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而圓點虛線是背景光子所造成的光電流，其中偵測器視角 (view angle)約135度。很明顯地，在正偏壓下，所謂的背 景限制條件的工作溫度是可在77K以下，此例驗證了本案 的設計成功。相對地，量子井紅外線偵測器的設計是沒有 辦法達到上述的功效的，這是由於其能障層數過多。圖六 所示是量子井紅外線偵測器在IV、2V、及3V不照光條件 下，各能障所受偏壓的示意圖。很明顯地，除第一能障所 受偏壓較大外，其餘的所受偏壓幾乎相同，這意味著電壓 幾乎是平均分配在每個能障之上。即使在照光條件下，每 個能障的壓降變化也是很小的，因為總變化必須平均分配 在每個能障層之上。 本案设§f的超晶格紅外線備測器並不受限於 GaAs/AlGaAs材料系統，相同的構想也可使用其它材料系 統來製作。如圖七所示’其超晶格結構係是由GaAs， lnGaAs(量子井）/A1GaAs(能障)所組成，其中InGaAs部份（圖 中往下凸出部份）必須小於完全同相成長（fu丨丨y c〇herem growth)的臨界長度（critica丨iength) ’其餘為GaAs，且井中 摻雜濃度可以是η型或p型。又如圖八所示，超晶格結構 係為SiGe(量子井）/Si(能障）所組成，其中量子井(SiGe)寬度 必須在完全同相成長的臨界長度内’且其摻雜為p型者。 而前後阻擋層為未摻雜Si，寬度必須夠大以足夠阻擋暗電 流。 簡言之’本案所設計的超晶格紅外線偵測器結構，比 起一般設計的量子井紅外線偵測器，具有低操作偏壓、可 11 本紙張尺錢帛中圏國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公 --------------裝— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

•SJ --線- ^394 A7 B7 五、發明說明（) 隨偏壓大小調整所欲偵測波長等優點。而且本案所設計的 阻擋層結構能夠阻擋掉大部分的暗電流，卻不會影響到大 部分的光電流’如此提升惰測器的背景限制溫度到77K，因 此只要使用液態氮冷卻’不需花費昂貴的低溫冷卻系統的 費用’大幅減少使用的成本。由以上可見，本案所設計的 超晶格紅外線偵測器具有其特殊創新的優點。 雖然本發明已以一較佳實例揭露如上，然其並非用以 限定本發明’任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内’當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 I I I I I ^ n n ^ I —I— * — — — — — — — tllllllla II ¢,猜先閱婧背面之注£ϊ項再填寫本頁} 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 本紙張尺度遘用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公爱）

Claims (1)

1. 94 ΛΒ C8 1)8 六、申請專利範圍 1 _ 一種超晶格紅外線偵測器，至少包含前阻擋層、超晶格 結構及後阻擋層三個部份；所述超晶格結構是由GaAs(量 子井）/AiGaAs(能障）所组成，其能障寬度至少小於1〇 nm’量子井寬度約在2nm至丨Onm之間的η型或p型糁 雜者’足令其偵測紅外線波長在5 μπι至20 μηι範圍内； 該後阻擋層材為AlCiaAs，寬度至少約大於50 nm，能障 高度足令其超過該超晶格結構之第二子能帶的底部者； 且該前阻擋層亦為AlGaAs材料製成者。 2, 如申請專利範圍第丨項所述之超晶格紅外線偵測器，其 中超晶格結構是由GaAs，InGaAs(量子井）/AlGaAs(能障） 所組成，其能帶示意圖如圖七所示’所偵測紅外線波長 約在3 μηι至5 μηι範圍内，亦即能障寬度至少小於i〇mn， 量子井寬度約在2 nm至10 nm之間，其中InGaAs部份（圖 中往下凸出部份）必須至少小於完全同相成長（fully coherent growth)的臨界長度（critical length)，其餘為 GaAs ’且井中摻雜濃度可以是η型或p型。 3. —種SiGe/Si超晶格紅外線偵測器的製作結構，至少包含 前阻擋層、超晶格結構及後阻擋層三個部份；其特點在 超晶格結構是SiGe(量子井）/Si(能障）所组成，其能障寬 度至少小於丨0 nm，量子井（SiGe)寬度必須在完全同相成 長的臨界長度内，且約在2 nm至〗0 nm之間的p型摻雜 者’足令其偵測紅外線波長在5 μπι至20 μιη範圍内；該 後阻擋層材為未摻雜Si，寬度至少約大於50 nm該前阻 擋層亦為未掺雜Si，其阻擋層寬度則未限制。 13 本紙張&度適用中阀阀家標準（CNSM，丨規格（21() χ 297公釐〉 (請先閱讀背面之;i意事項再填寫本頁) 經濟部智魅財產局員工消費合作社印製