自增益长波量子阱红外探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种自增益长波量子阱红外探测器，该器件由双势垒共振隧穿结构和１０个周期的多量子阱层构成。置于器件发射极端的双势垒共振隧穿结构可以有效控制注入载流子，从而达到减小器件暗电流，降低器件噪声，增强器件的光电流的目的。相比传统的５０周期的长波量子阱红外探测器还大大简化了器件系统结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及长波量子阱红外探测器，具体是指一种利用双势垒的共振隧穿结构来增强长波量子阱红外探测器的光电探测性能的自增益长波量子阱红外探测器。
技术介绍
在最近的十年里，随着低维材料的迅猛发展，量子阱红外探测器的实验室研究和商业开发十分活跃。比起传统的碲镉汞红外探测器，量子阱探测器的优点是材料的均匀性好，器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低、对于焦平面列阵探测器而言，这些优点表现的更为明显。但是，量子阱探测器由于较大的暗电流和较低的量子吸收效率及由此产生的较小的光电流在应用上受到了很大的限制。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探测器在长波波段方面有着相当的应用前途。由于常规的n型GaAs/AlGaAs多量子阱探测器是利用窄带隙的GaAs和宽带隙的AlGaAs形成量子阱结构，量子阱结构中的束缚态上的电子吸收红外光向高能带跃迁，在外加电场作用下输运，形成光电流实现对红外光的探测，整个器件包括n型注入区(发射极)，多量子阱吸收区，和n型收集区(集电极)。形成光电流后量子阱中的空位则由注入的补偿电流补充。在无光照时发射极的注入电子形成器件的暗电流。由于常规结构类似电阻，在无光照射情况下其电阻也不是很大，因此暗电流较大。其主要机制为热辅助隧穿和热电子发射。由严格的理论计算表明，常规多量子阱红外探测器的暗电流主要依赖于器件中势垒的高度和厚度，势垒越高、越厚，暗电流就越小。但是综合考虑器件的探测波长和探测灵敏度等特性，器件结构中的势垒不可能做的很高、很厚，否则光电流也会受到很强的抑制，因此器件的暗电流一直不能显著降低。由于器件的噪声正比于器件的暗电流，因此常规的GaAs/AlGaAs多量子阱探测器的探测率多年来一直没有较大的提高。隧道效应二极管概念的提出可以追溯到几十年前，首次在极重掺杂的pn结二极管中实现。双势垒共振隧穿二极管是用两个较薄的AlxGa1-xAs(x＝0.4)势垒层将AlxGa1-xAs(x＝0.15)区分隔开，隧道效应所要贯穿的势垒由AlxGa1-xAs(X＝0.4)/AlxGa1-xAs(x＝0.15)异质结界面上的能带不连续形成。如果将其引入常规的n型GaAs/AlGaAs多量子阱探测器的发射极，在一定偏压且无光照时发射极电子费米能级跟中央量子阱的准局域子能级相偏离，此时器件可以注入的载流子浓度很小；但在一定偏压并加上光照作用后发射极的双势垒及量子阱发生倾斜，当发射极电子的能量跟隧穿结构中央量子阱的准局域子能级平齐时将引起入射载流子的共振隧穿，多量子阱探测器件系统的光电流值开始迅速增大，而器件的暗电流得到显著抑制，探测率可得到较大的提高，那么这种新结构的多量子阱红外探测器在长波波段方面将有很大的实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种运用双势垒的共振隧穿结构，实现传统的长波量子阱红外探测器暗电流显著抑制而光电流显著增强的自增益长波量子阱红外探测器。本专利技术的技术方案是在常规的长波n型-GaAs/AlGaAs多量子阱探测器的发射极端加入合适结构的双势垒的共振隧穿结构，以此实现对注入电流的控制，从而达到减小器件暗电流，降低器件噪声，增大器件光电流，提高器件性能的目的。本专利技术的器件包括GaAs衬底，在GaAs衬底上有通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积方法依次逐层生长的n型Si重掺杂浓度为1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs发射极层2，其中x＝0.14-0.15，发射极层又称为下电极层；18-22nm厚的非掺杂AlxGa1-xAs过渡层3，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs势垒层4，其中x＝0.3-0.4；5-10nm厚的非掺杂AlxGa1-xAs量子阱层5，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs势垒层6，其中x＝0.3-0.4；18-22nm厚的非掺杂AlxGa1-xAs过渡层7，其中x＝0.14-0.15；交替生长10个周期的多量子阱层8；55-60nm厚的AlxGa1-xAs势垒层9，其中x＝0.14-0.15；n型Si重掺杂浓度为1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs上集电极层10，其中x＝0.14-0.15，上集电极层又称为上电极层；其中势垒层(4)、量子阱层(5)、势垒层(6)三层构成双势垒的共振隧穿结构；所说的交替生长10周期多量子阱层，每个周期包括1个55-60nm厚的AlxGa1-xAs势垒层和1个6-7nm厚的GaAs量子阱层，其中x＝0.14-0.15。本专利技术器件基于的工作原理是器件在无光照时，在一个外加偏压条件下发射极电子费米能级正好低于隧穿二极管中央量子阱的子能级能量，尚不能形成共振隧穿，此时从发射极注入的载流子浓度很小，因此器件的暗电流很小。但在外加偏压不变情况下，一旦有红外光照在器件上激发了量子阱中的载流子到连续态上，电子在电场作用下向集电极漂移，留下了带有正电特性的量子阱，为此整个量子阱探测器中的电场分布发生变化，形成新的更强的内建电场，该内建电场将使得发射极端的量子阱及双势垒发生倾斜，导致发射极电子的能量跟隧穿结构中央量子阱的准局域子能级平齐时引起入射载流子的共振隧穿，器件的光电流值开始迅速增大，如图5所示。因此，利用双势垒共振隧穿结构，调节双势垒中Al的组分及中间量子阱的宽度，可有效控制发射极端载流子的注入，实现对注入载流子的调控，从而达到减小器件暗电流，增大器件光电流，简化器件结构，提高器件性能的目的。本专利技术的优点是1与传统长波量子阱探测器相比，新结构的量子阱红外探测器可有效调控重掺杂的发射极端的载流子的输运，暗电流显著降低。2与传统长波量子阱红外探测器相比，一定偏压下有光照时可引起入射载流子跟双势垒隧穿二极管的局域子能及共振隧穿，从而使得器件的光电流得以显著放大。3由于光照时引起共振隧穿后器件的光电流得以显著增大，所以跟传统长波量子阱探测器相比，可以减少器件多量子阱层量子阱的个数而保持器件性能不被降低，这样就可以简化器件结构。附图说明图1为本专利技术器件的结构示意图；图2为本专利技术器件在一定偏压、暗条件下的器件能带结构示意图(双势垒隧穿二极管结构后有10个周期的量子阱结构，为清楚计，这里只画出了3个)，此时发射极费米能级跟隧穿二极管的子能级相偏离；图3为自洽计算得到的一定偏压下有光照时器件能带结构图，此时发射极费米能级跟隧穿二极管的子能级相平齐而引起共振隧穿(器件工作温度40K)；图4为本专利技术的自增益长波量子阱红外探测器(10个周期)与常规长波量子阱器件(50个周期)的暗电流曲线(器件工作温度40K)；图5为本专利技术的自增益长波量子阱红外探测器器件(10个周期)与常规长波量子阱器件(50个周期)的光电流曲线(器件工作温度40K)；具体实施方式下面以峰值探测波长在15μm附近，较佳实施参数的自增益长波量子阱红外探测器为例，结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的详细说明。见图1，本专利技术的器件包括GaAs衬底1，在GaAs衬底上通过分子束外延或金属有机化学汽相依次逐层生长n型重掺杂(Si1.0×1018cm-3)的AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)发射极层2；18-22nm厚的非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)过渡层3；5-10nm厚的AlxG本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自增益长波量子阱红外探测器，其特征在于：在ＧａＡｓ衬底层（１）上有通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长的：ｎ型Ｓｉ重掺杂浓度为１．０×１０↑［１８］ｃｍ↑［－３］的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ发射极层（２），其中 ｘ＝０．１４－０．１５；１８－２２ｎｍ厚的非掺杂Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ过渡层（３），其中ｘ＝０．１４－０．１５；５－１０ｎｍ厚的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ势垒层（４），其中ｘ＝０．３－０．４；５－１０ ｎｍ厚的非掺杂Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ量子阱层（５），其中ｘ＝０．１４－０．１５；５－１０ｎｍ厚的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ势垒层（６），其中ｘ＝０．３－０．４；１８－２２ｎｍ厚的非掺杂Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ ｘ］Ａｓ过渡层（７），其中ｘ＝０．１４－０．１５；交替生长１０个周期的多量子阱层（８）；５５－６０ｎｍ厚的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ势垒层（９），其中ｘ＝０．１４－０．１５；ｎ型Ｓｉ重掺杂浓度为１．０×１０↑［ １８］ｃｍ↑［－３］的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ上集电极层（１０），其中ｘ＝０．１４－０．１５；其中势垒层（４）、量子阱层（５）、势垒层（６）三层构成双势垒的共振隧穿结构；所说的交替生长１０个周期的多量子阱层，每个周期 包括１个５５－６０ｎｍ厚的Ａｌ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ａｓ势垒层和１个６－７ｎｍ厚的ＧａＡｓ量子阱层，其中ｘ＝０．１４－０．１５。...

【技术特征摘要】
1.一种自增益长波量子阱红外探测器，其特征在于在GaAs衬底层(1)上有通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长的n型Si重掺杂浓度为1.0×1018cm-3的AlxGa1-xAs发射极层(2)，其中x＝0.14-0.15；18-22nm厚的非掺杂AlxGa1-xAs过渡层(3)，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs势垒层(4)，其中x＝0.3-0.4；5-10nm厚的非掺杂AlxGa1-xAs量子阱层(5)，其中x＝0.14-0.15；5-10nm厚的AlxGa1-xAs势垒层(6)，其中x＝0.3-0.4；1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆卫，熊大元，李宁，甄红楼，张波，陈平平，李天信，陈效双，李志锋，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]