TWI400813B - 量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置及其形成方法 - Google Patents
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Description
本發明為一種偵測器裝置，特別是一種量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置及其形成的方法。
隨著近年來已有相當多的研究投入量子點紅外線偵測器與量子井紅外線偵測器的發展，且已大幅提升其基本性能，故其效用亦已大幅增進。
傳統上，量子點(Quantum Dot)係以半導體原料，少量的原子所構成的超級分子(Megamolecules)，且量子點是准零維(Quasi－zero－dimensional)的奈米材料。一般而言，量子點三個維度的尺寸都在100奈米(nm)以下，外觀恰似一極小的點狀物，其內部電子在各方向上的運動都受到局限，所以量子局限效應(Quantum Confinement Effect)特別顯著。由於量子局限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為人造原子(Artificial Atom)。
以量子點所形成的量子點紅外線偵測器(QuantumDot Infrared Photo－detector)具有寬偵測頻段(Wide Detection Window)、高反應率(High Responsivity)以及高溫操作等各式特性。
量子井紅外線偵測器亦為另一型式之紅外線偵測器，其暗電流之發生機制主要為基態電子之穿隧電流
(Sequential resonance tunneling current)及電極－電極間的熱游子放射電流(Thermionic Emission Current)。且由於量子井紅外線偵測器並不吸收正面入射光，因此往往需要額外的導光機制將垂直於水平面的電磁波模式(Transverse Electric Mode,TE Mode)之入射光，進行轉換成為平行於水平面的電磁波模式(Transverse Magnetic Mode,TM Mode)之入射光。但因量子井紅外線偵測器對入射光振盪方向有選擇性，其所產生及復合電子－電洞對的生命期較短，且其操作溫度需小於100K，故有其實用性不足之缺點。
此外，量子點紅外線偵測器之正向入射吸收量相較量子井紅外偵測器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)之吸收量，約要高出百分之二十以上。且因量子點較有利於波長3至5公尺之中波段操作，而量子井較有利於波長8至12公尺之長波段操作。故而，結合前述量子點紅外線偵測器與量子井紅外線偵測器之優勢而發展新式之量子點/量子井紅外線偵測器亦受到相當關注。
故而，量子點紅外線偵測器與量子井紅外線偵測器之發展日益受到重視。故為因應偵測器技術之需求，尚需發展紅外線偵測器相關技術，藉以節省人力與時間等成本，且能有效形成紅外線偵測器。
本發明係利用。
相較於傳統的量子點紅外線偵測器或是量子井紅外
線偵測器，本發明之量子點/量子井混模式紅外線偵測器同時具有前述兩者之優勢。
本發明利於多波段之紅外線偵測器運用，可同時於中波段及長波段之操作，而在各自的波段中，其偵測波長亦可進行調整。
本發明於具有高應力之砷化銦/砷化鎵(InAs/GaAs)量子點結構中，成功的克服晶片均勻度、操作偏壓、光柵結構的製作及暗電流的限制。
本發明經與傳統操作溫度比較，可於較高之溫度下操作，如135 K之高溫下進行操作(High－Temperature Operation)，具有技術實用化的意義。
本發明可由波長3至5公尺之單一中波段，甚而推廣至8至12公尺波段等之前述雙波段之運用。
本發明可吸收正面入射光(Normal Incident Absorption)，亦為一種多彩紅外線偵測器(Multi－Color Infrared Photodetectors)。
故而，關於本發明之優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
本發明為一種量子點及量子井混合模式紅外線偵測器，請參考詳細說明如下列：如第1A圖所示之主要結構，如第1圖標示提供一層負型(N－Type)半導體材料作為底部接觸層(Bottom
Contact Layer)101，其中負型半導體材料可為砷化鎵(GaAs)，磷砷化鎵銦(InGaAsP)以及磷化鎵鋁銦(InAlGaAs)。
仍如第1B圖所示，以一多層量子點及量子井結構形成於底部接觸層101上以作為吸收層(Absorption Layer)102。
最後如第1C圖所示，以負型(N－Type)型半導體材料形成於吸收層102上以作為頂部接觸層(Top Contact Layer)103，其中負型半導體材料可為砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦。
而本發明之一種量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置之詳細產生步驟與結構說明如下列：首先如第2A圖所示之詳細結構，提供一化合物半導體基板201，化合物半導體(Compound Semiconductor)基板，即如砷化鎵(GaAs)或是磷化銦(InP)之基板，通常化合物半導體的基板厚度約為350毫米(μm)。
如第2B圖所示，使用磊晶技術在化合物半導體基板201上成長一層負型半導體材料，以作為底部接觸層(Bottom Contact)202。通常底部接觸層202的厚度約600奈米，所摻雜的濃度約2×1018
cm－3
，其中負型半導體材料可為砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦。
如第2C圖所示之詳細結構，使用磊晶技術成長一層未掺雜之高能隙化合物半導體層於底部接觸層202上，以作為障礙層(Barrier Layer)203。通常障礙層(Barrier
Layer)203的厚度約25奈米，其中障礙層203可為砷化鋁鎵(AlGaAs)，磷化銦，磷砷化鎵銦及磷化鎵鋁銦，且高能隙化合物半導體層障礙層之厚度約為10至100奈米(nm)。
如第2D圖所示之詳細結構，使用磊晶技術成長一層未掺雜之化合物半導體於障礙層203上，以作為保護層204。通常保護層204的厚度約1奈米，其中保護層204可為砷化鎵，磷砷化鎵銦及磷化鎵鋁銦。
如第2E圖所示之詳細結構，使用磊晶技術成長一量子點結構層205，即2.4ML砷化銦(InAs)量子點層於保護層204上以作為中波段吸收層。
如第2F圖所示之詳細結構，使用磊晶技術成長一負型化合物半導體層於量子點結構層205上以作為量子井層206，通常量子井層206的厚度約8奈米，所摻雜的濃度約5×1017
cm－3
至1×1017
cm－3
，其中量子井層206可為砷化鎵，磷砷化鎵銦及磷化鎵鋁銦。
如第2G圖所示之詳細結構，使用磊晶技術成長一未掺雜之高能隙之化合物半導體層於量子井層206上以作為障礙層207。通常厚度約25奈米，其中障礙層207可為砷化鎵，磷砷化鎵銦及磷化鎵鋁銦。
最後如第2H圖所示之詳細結構，使用磊晶技術在基板上成長一層負型半導體層於障礙層207上以作為頂部接觸層208，通常頂部接觸層208的厚度約300奈米，所摻雜的濃度約2×1018
cm－3
，其中頂部接觸層208可為砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦。
此外，可重覆前述第2C圖至第2F圖之步驟，增加本發明之層狀結構，藉以增加響應強度。而本發明之化合物半導體層的厚度為0.5至20奈米，且層數約可達1至100層。本發明之磊晶技術包括了分子束磊晶(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)及液態磊晶(LPE)技術。
由於砷化銦/砷化鎵量子點紅外線偵測器結構中之能障遠較量子井紅外線偵測器為低，因此本發明之費米級(Fermi Level)能階往往會遠高於基態能階，甚至會高於激發態能階。因此，其暗電流主要為電極-電極間的熱游子放射電流，由於此部份電流會隨著偏壓及溫度的增加而呈指數增加(Exponential Increase)。也因此，若要使量子點紅外線偵測器能在更高的溫度下操作，抑制暗電流以及降低偏壓的便需要在同一結構內完成。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
101‧‧‧底部接觸層
102‧‧‧吸收層
103‧‧‧頂部接觸層
201‧‧‧半導體基板
202‧‧‧底部接觸層
203‧‧‧障礙層
204‧‧‧保護層
205‧‧‧量子點結構層
206‧‧‧量子井層
207‧‧‧障礙層
208‧‧‧頂部接觸層
第1A至第1C圖圖所示為本發明之較佳實施例圖。
第2A至第2H圖所示為本發明之較佳實施例圖。
201‧‧‧半導體基板
202‧‧‧底部接觸層
203‧‧‧障礙層
204‧‧‧保護層
205‧‧‧量子點結構層
206‧‧‧量子井層
207‧‧‧障礙層
208‧‧‧頂部接觸層
Claims (9)
- 一種量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置，至少包含：一化合物半導體基板，其中該化合物半導體係由砷化鎵，以及磷化銦等群組所選出；一底部接觸層於該化合物半導體基板上，其中該底部接觸層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；一第一障礙層於該底部接觸層上，其中該第一障礙層至少係由砷化鋁鎵，磷化銦，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；一保護層於該第一障礙層上，其中該保護層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；一砷化銦量子點結構層於該保護層上；一量子井層於該量子點結構層上，其中該量子井層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；一第二障礙層於該量子井層上，其中該第二障礙層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；以及一頂部接觸層於該第二障礙層，其中該頂部接觸層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出，藉以形成該量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置。
- 一種形成如申請專利範圍第1項之量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，至少包含：提供一化合物半導體基板，其中該化合物半導體係由砷化鎵，以及磷化銦等群組所選出；形成一底部接觸層於該化合物半導體基板上，其中該底部接觸層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；形成一第一障礙層於該底部接觸層上，其中該第一障礙層至少係由砷化鋁鎵，磷化銦，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；形成一保護層於該障礙層上，其中該保護層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；形成一砷化銦量子點結構層於該保護層上；形成一量子井層於該量子點結構層上，其中該量子井層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；形成一第二障礙層於該量子井層上，其中該第二障礙層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出；以及形成一頂部接觸層於該第二障礙層，其中該頂部接觸層係由砷化鎵，磷砷化鎵銦以及磷化鎵鋁銦等群組所選出，藉以形成該量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式 紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該底部接觸層於該化合物半導體基板上之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該第一障礙層於該底部接觸層上之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該保護層於該第一障礙層上之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該量子點結構層於該保護層上之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該量子井層於該量子點結構層上之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該第二障礙層於該量子井層上之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
- 如申請專利範圍第2項之形成量子點及量子井混合模式紅外線偵測器裝置的方法，其中該形成該頂部接觸層於該第二障礙層之方法係由分子束磊晶技術(MBE)、金屬有機化學氣相沉積技術(MOCVD)以及液態磊晶(LPE)技術等群組所選出。
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