两端结构中长波同时响应量子阱红外探测器及其制作方法技术

一种两端结构中长波同时响应量子阱红外探测器，包括：一半绝缘半导体ＧａＡｓ衬底；一第一半导体ＧａＡｓ接触层，制作在半绝缘半导体ＧａＡｓ衬底上；一第一多量子阱红外探测器，制作在第一半导体ＧａＡｓ接触层上，该第一半导体ＧａＡｓ接触层的一侧形成一台面；一第二半导体ＧａＡｓ接触层，制作在第一多量子阱红外探测器上；一第二多量子阱红外探测器，制作在第二半导体ＧａＡｓ接触层上；一第三半导体ＧａＡｓ接触层，制作在第二多量子阱红外探测器上；一上接触电极和一下接触电极分别制作在第三半导体ＧａＡｓ接触层上面和第一半导体ＧａＡｓ接触层形成的台面上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体材料生长与器件制作领域，特别是指一种两端结构中长波同时 响应量子阱红外探测器的结构设计，材料生长和器件制作方法。
技术介绍
红外探测是一种在遥感，侦查，光谱分析等领域广泛应用的技术。如果能做到中长 波双色同时响应则能同时探测目标在不同波段的辐射信息，有利于提高探测的范围，提高 红外系统的抗干扰能力，所以成为新的技术发展方向。相比于HgCdTe红外探测器，III-V族材料量子阱红外探测器具有材料生长技术 成熟，大尺寸生长的材料均勻性好，成本低，并且利用量子阱内的子带间跃迁探测光子，通 过设计不同的量子阱结构，探测波长调节方便，所以受到重视，特别是在制作双色探测器方 面，发展十分迅速。为了制作双色，乃至多色宽谱量子阱红外探测器，人们提出过各种设计方法。耦合 量子阱方法，即在两个量子阱之间生长一个很薄的势垒层，使两个量子阱间通过很薄的势 垒层产生较强的耦合，从产生一个基态，多个能量不同的激发态。当红外光入射在探测器上 时，依光子能量(波长)不同，分别把电子激发到不同的激发态上，当外加偏置电压使得光 生电子隧穿出阱后，我们便能得到对应于不同波长的光电流信号。但其探测波段调节的范 围有限，往往在1微米范围之内。三端叠层结构器件的方法，即将两个探测范围不同的量子 阱红外探测器生长在一起，并通过导电层接触起来，然后分别引出电极读取的方法，实现了 对不同波的探测。上面的方法中，前者探测范围较小，不能同时工作在多个大气窗口。后者制作工艺 复杂，每个像元上都需要引出三个电极，使得面阵器件制作工艺变得非常复杂。在本专利技术 中，我们通过将两个不同材料系的量子阱红外探测器(AlGaAs/GaA^AlGaAs/GaAs/InGaAs) 经导电层串联起来，并通过对材料生长过程的优化设计，在两端结构的器件(即每个像元 上引出两个电极)实现了量子阱红外探测器同时在更广范围能的探测(3-12微米)，基本覆 盖了两个大气波段，同时每个像元只需要两个电极使得面阵器件的制作工艺大为简化。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种两端结构中长波同时响应量子阱红外探测器的结构设 计及其器件制作方法。通过采用简单的两端器件结构，既避免了三端结构制作工艺的复杂， 大大降低了量子阱红外探测器的制作成本，同时又保证了较大光谱范围的红外探测。本发 明所述方法适用于目前各种外延生长技术，主要包括MBE等。本专利技术提供一种两端结构中长波同时响应量子阱红外探测器，包括一半绝缘半导体GaAs衬底，作为整个器件的承载体；一第一半导体GaAs接触层，制作在半绝缘半导体GaAs衬底上，在第一半导体GaAs 接触层中掺杂n型杂质，起到缓冲衬底和其它层之间应力的作用，又充当了器件的下接触层，用来连接外部偏置电压，传导电流；一第一多量子阱红外探测器，制作在第一半导体GaAs接触层上，其量子阱内掺杂 n型杂质，用于探测位于中波大气窗口的红外辐射，该第一多量子阱红外探测器的面积小于 第一半导体GaAs接触层的面积，而位于第一半导体GaAs接触层的一侧，在第一半导体GaAs 接触层的另一侧形成一台面；一第二半导体GaAs接触层，制作在第一多量子阱红外探测器上，其中掺杂n型杂 质，起到将上下两个探测器在电学上串联起来的作用；一第二多量子阱红外探测器，制作在第二半导体GaAs接触层上，其量子阱内掺杂 n型杂质，用于探测位于长波大气窗口的红外辐射；一第三半导体GaAs接触层，制作在第二多量子阱红外探测器上，其中掺杂n型杂 质，起到保护整个器件的作用，并作为上接触层，用来连接外部偏置电压，传导电流；一上接触电极和一下接触电极分别制作在第三半导体GaAs接触层上面和第一半 导体GaAs接触层形成的台面上。其中第一、第二和第三半导体GaAs接触层的层厚为300-700纳米。其中第一、第二多量子阱红外探测器，其各自内部由多个相同的重复单元构成。其中该第一多量子阱红外探测器的每一个重复单元包括一第一 AlxGai_xAs势垒层，用来限制电子；一第一 GaAs层，制作在第一 AlxGai_xAs势垒层上，改善量子阱的界面质量；一 InxGai_xAs量子阱层，制作在第一 GaAs层上，其中掺杂n型杂质，提供载流子；一第二 GaAs层，制作在InxGai_xAs量子阱层上，改善量子阱的界面质量；一第二 AlxGai_xAs势垒层，制作在第二 GaAs层上，用来限制电子。其中该第二多量子阱红外探测器的每一个重复单元包括一第一 AlxGai_xAs势垒层，用来限制电子；一 GaAs量子阱层，制作在第一 AlxGai_xAs势垒层上，其中间部位掺杂n型杂质，提 供载流子；一第二 AlxGai_xAs势垒层，制作在GaAs量子阱层上，用来限制电子。本专利技术提供一种两端结构中长波同时响应量子阱红外探测器的制作方法，包括如 下步骤步骤1 将一半绝缘半导体GaAs衬底烘干，脱氧，作为整个器件的承载体；步骤2 在半绝缘半导体GaAs衬底上，通过外延技术生长一第一半导体GaAs接触 层，起到缓冲衬底和其它层之间应力的作用；同时在其中掺杂n型杂质Si，提供载流子，使 其能作为器件的下接触层，用来连接外部偏置电压，传导电流；步骤3 在第一半导体GaAs接触层上通过外延技术生长一第一多量子阱红外探测 器，生长温度为550°C -650°C，其由多个完全相同的量子阱结构重复单元生长而成；步骤4 在第一多量子阱红外探测器上通过外延技术生长第二半导体GaAs接触 层，并掺杂n型杂质Si，起到将上下两个探测器在电学上串联起来的作用；步骤5 在第二半导体GaAs接触层上通过外延技术生长一第二多量子阱红外探测 器，生长温度为650°C -750°C，其由多个完全相同的量子阱结构重复单元生长而成；步骤6 在第二多量子阱红外探测器上通过外延技术生长第三半导体GaAs接触层，并掺杂n型杂质Si，起到保护整个器件的作用，并作为上接触层，用来连接外部偏置电 压，传导电流；步骤7 将第一多量子阱红外探测器、第二半导体GaAs接触层、第二多量子阱红外 探测器和第三半导体GaAs接触的一侧刻蚀，露出部分第一半导体GaAs接触层，形成台面；步骤8 在第三半导体GaAs接触上和第一半导体GaAs接触层形成的台面上分别 制作上接触电极和下接触电极，完成器件的制作。其中步骤2、步骤4和步骤6分别生长的第一、第二和第三半导体GaAs接触层的层 厚为300-700纳米，均掺杂n型杂质Si，生长温度为650°C _750°C。其中步骤3和步骤5生长的第一多量子阱红外探测器和第二多量子阱红外探测 器，其各自内部由多个相同的重复单元构成。其中步骤3的每一个重复单元包括一第一 AlxGai_xAs势垒层，用来限制电子，其中0 < X < 0. 41，层厚30-50纳米；一第一 GaAs层，生长在第一 AlxGai_xAs势垒层上，改善量子阱的界面质量，层厚 0. 5-1纳米；一 InxGai_xAs量子阱层，其中0 < X < 1，生长在第一 GaAs层上，其中掺杂有n型 杂质Si，提供载流子，层厚2-5纳米；一第二 GaAs层，生长在InxGai_xAs量子阱层上，改善量子阱的界面质量，层厚 0. 5-1纳米；一第二 AlxGa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两端结构中长波同时响应量子阱红外探测器，包括：一半绝缘半导体ＧａＡｓ衬底，作为整个器件的承载体；一第一半导体ＧａＡｓ接触层，制作在半绝缘半导体ＧａＡｓ衬底上，在第一半导体ＧａＡｓ接触层中掺杂ｎ型杂质，起到缓冲衬底和其它层之间应力的作用，又充当了器件的下接触层，用来连接外部偏置电压，传导电流；一第一多量子阱红外探测器，制作在第一半导体ＧａＡｓ接触层上，其量子阱内掺杂ｎ型杂质，用于探测位于中波大气窗口的红外辐射，该第一多量子阱红外探测器的面积小于第一半导体ＧａＡｓ接触层的面积，而位于第一半导体ＧａＡｓ接触层的一侧，在第一半导体ＧａＡｓ接触层的另一侧形成一台面；一第二半导体ＧａＡｓ接触层，制作在第一多量子阱红外探测器上，其中掺杂ｎ型杂质，起到将上下两个探测器在电学上串联起来的作用；一第二多量子阱红外探测器，制作在第二半导体ＧａＡｓ接触层上，其量子阱内掺杂ｎ型杂质，用于探测位于长波大气窗口的红外辐射；一第三半导体ＧａＡｓ接触层，制作在第二多量子阱红外探测器上，其中掺杂ｎ型杂质，起到保护整个器件的作用，并作为上接触层，用来连接外部偏置电压，传导电流；一上接触电极和一下接触电极分别制作在第三半导体ＧａＡｓ接触层上面和第一半导体ＧａＡｓ接触层形成的台面上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：霍永恒，马文全，种明，张艳华，陈良惠，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]