量子阱红外探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种量子阱红外探测器，采用了GaAs/AlxGa1-xAs材料体系，利用MBE或者MOCVD技术生长，通过标准的半导体工艺制备。本发明专利技术的量子阱结构具有特定的结构参数，势阱的硅杂质掺杂浓度高于1×1012cm-2，使探测器能够在室温或者准室温状态工作，吸收系数达30％以上，实现了对暗电流的有效抑制，从而大大减小了器件噪声，探测率可达到或者接近理论极限值，响应速度高于1GHz，最高可达100GHz。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体红外光电器件，具体涉及一种量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetectors，简称为 QWIP)。
技术介绍
在中红外至远红外波段发展较为成熟的传统探测器有碲化铟(InSb)红外探测器，和碲镉汞(HgCdTe)红外探测器。最近三十年来，随着低维材料技术的发展，出现了量子阱红外探测器这一新技术，并且得到快速发展和广泛应用。与其他红外技术相比，量子阱红外探测器具有响应速度快、探测率高、探测波长调，抗辐射性强等优点，而且可以用分子束外延技术(MBE)或金属有机化学气相沉积(MOCVD)等先进工艺生长，容易做出高品质、大面积、均勻性强的探测器阵列。在所用的各种材料的中，砷化镓/铝镓砷(GaAS/Alx(iai_xAS)材料是应用最为广泛，技术最为成熟的。它就有很多优良特性，如电子迁移率高、禁带宽度大、 具有直接跃迁的能带结构。目前基于GaAs的量子阱红外探测器已经发展成为比较成熟的技术，人们已经利用它实现了对中、远红外以至太赫兹等各个区域的覆盖。目前，中远红外波段的主流红外探测器，包括MSb红外探测器、HgCdTe红外探测器、量子阱红外探测器都在低温下工作(通常低于100K)，需要通过液氮杜瓦或循环制冷机制冷，严重限制了它们的广泛应用。此外，随着科技的发展，人们也对探测器的响应速度提出了很高的要求。在此前提下，急需出现一种室温或准室温工作、具备很高吸收系数和很快响应速度的红外探测器。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种量子阱红外探测器，它可以在室温或准室温工作，且具备很高的吸收系数和很快的响应速度。为了解决以上技术问题，本专利技术提供了一种量子阱红外探测器，包括=GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的未掺杂的GaAs缓冲层；η型掺杂的GaAs下电极层；先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；AlxGa1^xAs 势垒层；η型掺杂的GaAs上电极层；其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个AlxGai_xAS势垒层和一个GaAs势阱层，所述GaAs势阱层中进行η型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于lX1012cm_2。优选地，势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所探测的红外光子频率设计，所述势阱宽度为40 70nm，所述势垒厚度为30 50nm，势垒高度由AlxGi^xAs中的Al组分χ决定，χ的范围在0. 15 0. 5。优选地，所述η型掺杂的GaAs下电极层的厚度为0. 5 10 μ m，所掺杂质为硅，其掺杂浓度为0. 5 5. OX IO18CnT3。进一步地，所述的多量子阱层的周期数大于20。优选地，所述量子阱红外探测器属于束缚态到连续态或准连续态跃迁型量子阱红外探测器。优选地，所述量子阱红外探测器采用背面斜入射的光耦合方式，或者表面光栅结构。进一步地，所述的背面斜入射的光耦合方式，即在所述GaAs衬底层上打磨一个斜面，所述斜面和探测器的层面形成20° 70°的入射角，红外光垂直所述斜面射入。优选地，所述量子阱红外探测器的工作温度高于200K。优选地，所述量子阱红外探测器的响应速度高于1GHz。本专利技术具有以下优点1.本专利技术的量子阱红外探测器能够在室温或者准室温的条件下工作，工作温度大于200K，无需制冷设备或者仅需要半导体热电制冷器进行制冷。相比之下，常规的量子阱红外探测器通常工作在100K以下，需要安置在杜瓦或循环制冷机中。2.本专利技术的量子阱红外探测器具备很高的光吸收系数，室温或准室温下光吸收系数达到30%以上。3.本专利技术的量子阱红外探测器实现了对暗电流的有效抑制，从而大大减小了器件噪声，提高了探测率，在室温或者准室温下的探测率可达到或者接近理论极限值(背景限制探测率)。4.本专利技术的量子阱红外探测器具备很高的响应速度，其响应频率在IGHz以上，最高可达100GHz，远远高于现有的红外探测器，极其适合于高速测量场合。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。图1是本专利技术背面斜入射光耦合方式的η型量子阱红外探测器结构示意图；图2是300Κ时本专利技术的量子阱红外探测器的光透射谱；图3是本专利技术的量子阱红外探测器对不同频率信号的响应能力；图4掺杂浓度为1. 5 X IO12CnT2的样品对10. 6 μ m激光在不同温度下的探测率。具体实施例方式如图1所示，本专利技术所提出的量子阱红外探测器利用GaAs材料为衬底，利用MBE 或者MOCVD技术逐层生长出以下多层结构(1) 一层未掺杂的GaAs缓冲层。O) η型掺杂的GaAs下电极层，其厚度为0.5 10 μ m，所掺杂质为硅(Si)，其掺杂浓度为0. 5 5. OX 1018cm_3，例如使Si掺杂浓度约为IX 1018cm_3。(3)先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层，多量子阱层的周期数大于20。其中，每个周期包括一个AlxGai_xAs势垒层和一个GaAs势阱层，GaAs势阱层中进行 η型掺杂，所掺杂质为Si，掺杂浓度满足或接近背景限制温度的最优化条件，其掺杂浓度为 1 3X1012cm_2。势阱宽度、势垒厚度和势垒高度根据所探测的红外光子频率设计，势阱宽度为40 70nm，势垒厚度为30 50nm，势垒高度由AlxGai_xAs中的Al组分χ决定，χ的范围在0. 15 0. 5。(^AlxGivxAs 势垒层；(5) GaAs顶部电极层，其厚度为0. 5 10 μ m，所掺杂质为Si，其掺杂浓度为0. 5 5. OX 1018cnT3，例如使Si掺杂浓度约为1 X 1018cm_3。随后，通过标准的光刻技术以及化学方法制备一定尺寸的平台器件。由于选择定则的限制，η型量子阱红外探测器不能吸收正入射的光子，故可采用背面斜入射光耦合方式在GaAs衬底上打磨出斜面，让斜面和探测器的层面形成一定的入射角，入射角的大小在20° 70° ；器件在工作时候，让入射光从斜面上照入，根据这种方式实现光耦合吸收。 也可以在器件上制备二维光栅，来促进光的耦合吸收。本专利技术的量子阱红外探测器的工作原理为将两种不同的半导体材料(Alx^vxAs 和GaAs)交替生长形成周期外延层，若这两种材料具有不同的带隙或能带结构，在异质界面处将发生能带的不连续。在势阱很窄，与电子波长可比拟时，根据量子力学原理，势阱中会产生束缚的分裂能级。当有光激发时，基态上的电子吸收光子能量后垂直跃迁到激发态， 在外加偏置电压下形成光电流，通过对光电流的采集和分析，可实现对红外光的探测。GaAs 体材料的带隙小，形成势阱层，而AlxGai_xAS体材料的带隙大形成势垒层。AlxGai_xAs的带隙随Al组分χ增加而增加，我们可以通过调节Al组分χ的含量和势阱宽度来人为剪裁量子阱的能带结构，根据试验，优选的势阱宽度为40 70nm，势垒厚度为30 50nm，χ的范围为 0. 15 0. 5。本专利技术得出量子阱红外探测器的各部分最优化结构参数的设计原则如下(1)为获取高的光响应，量子阱采用了束缚态到连续态(bound to continuum，简称B-C)跃迁模式，或束缚态到准连续态(bound to quasibound，简称B-QB)跃迁模式。在此情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种量子阱红外探测器，包括：ＧａＡｓ衬底层，在所述ＧａＡｓ衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：未掺杂的ＧａＡｓ缓冲层；ｎ型掺杂的ＧａＡｓ下电极层；先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层；ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ势垒层；ｎ型掺杂的ＧａＡｓ上电极层；其特征在于，所述的多量子阱层，每个周期包括一个ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ势垒层和一个ＧａＡｓ势阱层，所述ＧａＡｓ势阱层中进行ｎ型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于１×１０１２ｃｍ－２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘惠春，杨耀，
申请(专利权)人：无锡沃浦光电传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32