本专利公开了一种宽光谱量子级联红外探测器，它由一化合物半导体材料衬底，在衬底上交替生长八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。由于本专利采用了微带结构做吸收区，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级联探测器有更宽的光响应谱，从而更加适于宽光谱探测应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利涉及一种红外探测器，具体指一种多量子阱红外探测器和量子级联探测器。
技术介绍
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 a room temperature photovoltaic quantum cascade detector at 5.35μm”,Applied Physics 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，微带技术可以结合到量子级联探测器中，使得光响应谱得到展宽，更适用于宽光谱探测应用。
技术实现思路
本专利的目的是提供一种宽光谱量子级联红外探测器的基本机理，利用微带原理，对经典的量子级联探测器的吸收区进行优化，设计出一种在结构上独特的量子级联探测器，扩展了光电吸收范围，使其光响应谱得到展宽。本专利的设计方案如下：宽光谱量子级联红外探测器包括衬底1、多量子阱2、上电极3、下电极4。所述的红外探测器的结构为GaAs或InP衬底1上采用分子束外延或金属有机气相沉积薄膜生长技术依次生长下电极层、交替的势垒层和量子阱层、上电极层，形成一个GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs多量子阱2；再在上电极层上制备上电极3，下电极层上制备下电极4；所述的多量子阱2结构为：C1L1(AL2)nC2，C1为下电极层，与量子阱层采用相同材料，Si掺杂，浓度为1018/cm3，厚度为0.5μm到1μm；C2为上电极层，与量子阱层采用相同材料，Si掺杂，浓度为1018/cm3，厚度为0.1μm到0.3μm；L1为宽势垒层，厚度为40到60nm；L2为二个单一周期之间的势垒隔离层，厚度为2到3nm；A为单一周期，即为多量子阱耦合结构的基本探测单元，其构成结构为：QW1L1’QW2L2’QW3L3’QW4L4’QW5L5’QW6L6’QW7L7’QW8其中：量子阱层QW1…QW8为宽度不一的量子阱层，其中QW1和QW2进行掺杂，量子阱层QW1…QW8厚度为2到8nm；势垒层L1’…L7’为宽度不一的势垒层，厚度为3到6nm；L2’QW3L3’QW4L4’QW5L5’QW6L6’QW7L7’QW8组成级 联结构；n为周期数，n为30-50个周期；上电极3和下电极4结构为三层金属层结构：自下而上依次为100nm的AuGe层，20nm的Ni层，400nm的Au层，或者为二层金属层结构：自下而上依次为50nm的Ti层，400nm的Au层。上电极3为二维光栅形状，其两个维度的周期均为2.5μm，孔为正方形，两个平面维度的宽度均为1.5μm，孔的深度为0.6μm。探测器采用的化合物半导体材料为GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs体系，对应的，衬底采用GaAs或InP材料，量子阱层采用GaAs或InGaAs材料，势垒层采用AlGaAs或InAlAs材料，上下电极层采用GaAs或InGaAs材料。本专利有如下积极效果和优点：1.本专利由于采用了微带结构作吸收区，相比于常规量子级联探测器，增加了一个光电吸收区域，在双重光电吸收机区域用下，光响应谱得到有效展宽。2.本专利将吸收区制备的更厚，能够更有效的吸收入射光，能够使得量子效率得到大幅提高。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。附图说明为了便于说明，我们以GaAs/AlGaAs多量子阱材料为例，给出阐述本专利的示意图如下：图1为本专利的单一周期宽光谱量子级联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为本专利的宽光谱量子级联红外探测器结构示意图；图3为图2的宽光谱量子级联红外探测器上电极层A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宽光谱量子级联红外探测器光电响应原理作详细阐述：见图1，在无偏压状况下，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。由于吸收区由两个量子阱组成微带结构，使得吸收区中存在两套基态到激发态的跃迁，激发态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。为了能将机理阐述更清晰，我们以GaAs/AlGaAs量子阱材料为实施例。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Al0.33Ga0.67As，厚度为40nm；QW1为GaAs：Si，浓度为1017/cm3，厚度为6.8nm；L1’为Al0.33Ga0.67As，厚度为3nm；QW2为GaAs：Si，浓度为1017/cm3，厚度为6.8nm；L2’为Al0.33Ga0.67As，厚度为5.65nm；QW3为GaAs，厚度为2nm；L3’为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.96nm；QW4为GaAs，厚度为2.3nm；L4’为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.1nm；QW5为GaAs，厚度为2.8nm；L5’为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.1nm；QW6为GaAs，厚度为3.4nm；L6’为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.1nm；QW7为GaAs，厚度为3.8nm；L7’为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.1nm；QW8为GaAs，厚度为4.8nm；然后以QW1到QW8为一个周期，且每二个周期之间用L2为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.1nm做势垒隔离，重复生长30个周期，最后再生长L2为Al0.33Ga0.67As，厚度为3.1nm； C2为GaAs：Si，浓度为1018/cm3，厚度为100nm，形成一个多量子阱2.宽度为6.8nm的GaAs QW1和QW2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，同时第一激发态与相邻的量子阱QW3中的基态能级相差小于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QW3，QW4，QW5，QW6，QW本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种宽光谱量子级联红外探测器，包括衬底(1)、多量子阱(2)、上电极(3)、下电极(4)，其特征在于：所述的红外探测器的结构为GaAs或InP衬底(1)上采用分子束外延或金属有机气相沉积薄膜生长技术依次生长下电极层、交替的势垒层和量子阱层、上电极层，形成一个GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs多量子阱(2)；在上电极层上制备上电极(3)，下电极层上制备下电极(4)；所述的多量子阱(2)结构为：C1L1(AL2)nC2，C1为下电极层，厚度为0.5μm到1μm；C2为上电极层，厚度为0.1μm到0.3μm；L1为宽势垒层，厚度为40到60nm；L2为二个单一周期之间的势垒隔离层，厚度为2到3nm；A为单一周期，即为多量子阱耦合结构的基本探测单元，其构成结构为：QW1L1’QW2L2’QW3L3’QW4L4’QW5L5’QW6L6’QW7L7’QW8其中：量子阱层QW1…QW8为宽度不一的量子阱层，其中QW1和QW2进行掺杂，量子阱层QW1…QW8厚度为2到8nm；势垒层L1’…L7’为宽度不一的势垒层，厚度为3到6nm；L2’QW3L3’QW4L4’QW5L5’QW6L6’QW7L7’QW8组成级联结构；n为周期数，n为30‑50个周期；上电极(3)和下电极(4)结构为三层金属层结构：自下而上依次为100nm的AuGe层，20nm的Ni层，400nm的Au层；或者为二层金属层结构：自下而上依次为50nm的Ti层，400nm的Au层。...
【技术特征摘要】
1.一种宽光谱量子级联红外探测器，包括衬底(1)、多量子阱(2)、上电极(3)、下电极(4)，其特征在于：所述的红外探测器的结构为GaAs或InP衬底(1)上采用分子束外延或金属有机气相沉积薄膜生长技术依次生长下电极层、交替的势垒层和量子阱层、上电极层，形成一个GaAs/AlGaAs或InGaAs/InAlAs多量子阱(2)；在上电极层上制备上电极(3)，下电极层上制备下电极(4)；所述的多量子阱(2)结构为：C1L1(AL2)nC2，C1为下电极层，厚度为0.5μm到1μm；C2为上电极层，厚度为0.1μm到0.3μm；L1为宽势垒层，厚度为40到60nm；L2为二个单一周期之间的势垒隔离层，厚度为2到3nm；A为单一周期，即为多量子阱耦合结构的基本探测单元，其构成结构为：QW1L1’QW2L2’QW3L3’QW4L4’...
【专利技术属性】
技术研发人员：周孝好，李梁，温洁，郑元辽，周玉伟，李宁，李志锋，甄红楼，陈平平，陆卫，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海;31
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