专利名称：镓砷/铝镓砷甚长波量子阱红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)甚长波量子阱红外探测器，具体是指n型GaAs/AlxGa1-xAs甚长波(15～16μm)量子阱红外探测器。
背景技术：
在最近的二十年里，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，由于常规的量子阱探测器的基本量子结构决定了量子阱探测器的暗电流较大和量子吸收效率较低，为此产生的光电流较小，在应用上受到了很大的限制。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探测器在甚长波波段方面的应用前途。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约在10兆欧量级(典型的200×200平方微米的光敏元面积)，因此暗电流在工作电压为2～3伏时将达到亚微安量级，比典型的碲镉汞红外探测器应用中的暗电流(约纳安量级)要大。其主要机制为热辅助隧穿和热电子发射机制。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。
发明内容
本发明的目的是提出一种通过改变n型GaAs/AlxGa1-xAs甚长波量子阱红外探测器的掺杂浓度，达到降低暗电流，增强器件的光吸收系数和提高探测器的探测率的目的。
本发明的甚长波量子阱红外探测器包括GaAs衬底层1，在GaAs衬底层上通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长n型掺杂的GaAs下电极2；50个周期的多量子阱层3；55～60nm的AlxGa1-xAs势垒层4；n型掺杂的GaAs上电极层5；其特征在于所说的n型掺杂的掺杂浓度为1.0～2.0×1017cm-3；所说的AlxGa1-xAs势垒层4，其中x＝0.14-0.15；所说的50个周期的多量子阱层3，每个周期包括1个55～60nm的AlxGa1-xAs势垒层，其中x＝0.14～0.15；1个6～7nm的GaAs量子阱层，其中量子阱层的掺杂浓度为1.0～2.0×1018cm-3。
本发明器件基于的工作原理是对于n型GaAs/AlxGa1-xAs(x＝0.14-0.15)甚长波量子阱红外探测器，由于势垒很厚，直接的势垒隧穿可以忽略，暗电流主要来源于高于势垒的连续态上的载流子。在40K～50K的深低温工作下，器件的电阻达到兆欧量级，在通常的2～3伏特的小电压下，器件的电流很小，整个器件的导带能带变化不大，各量子阱中的电子是局域的，由于电流的连续性条件，量子阱中电子热激发后形成的空穴又会被连续态俘获的电子所补充，在这样的条件下整个甚长波器件的暗电流将主要由电极层的掺杂浓度所决定，量子阱层的掺杂浓度的改变基本上对整个器件的暗电流不产生影响。通过降低电极层的掺杂浓度来降低器件的暗电流及噪声，并在此基础上适当提高量子阱的掺杂浓度，从而提高量子阱的吸收系数及光电流，最终使器件的探测率水平得以提升。
针对电极层和量子阱层设计合适的掺杂浓度，可以有效抑制器件的暗电流，增强器件的光电流。
本发明的优点是1与常规的GaAs/AlGaAs甚长波量子阱探测器相比，本发明的GaAs/AlGaAs甚长波量子阱红外探测器的暗电流和噪声显著降低。
2与常规的GaAs/AlGaAs长波量子阱红外探测器相比，本发明的GaAs/AlGaAs甚长波量子阱红外探测器的光吸收系数显著提升，从而使得器件的光电流及响应率得以显著增强。
3上述两方面的因素在一起，使得本发明的GaAs/AlGaAs甚长波量子阱红外探测器的探测率水平显著提升。
图1为本发明的甚长波量子阱红外探测器的结构示意图；
图2为本发明的甚长波量子阱红外探测器与常规长波量子阱器件的暗电流曲线图(器件工作温度40K)；图3为本发明的甚长波量子阱红外探测器的与常规长波量子阱红外探测器的入射光波长与光吸收系数的曲线图(器件工作温度40K)；图4为本发明的甚长波量子阱红外探测器的与常规长波量子阱红外探测器的探测率与偏压的关系(器件工作温度40K)；具体实施方式
下面以峰值探测波长在16μm附近的甚长波量子阱红外探测器为例，结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。
见附图，本发明的器件包括GaAs衬底层1，在GaAs衬底层上通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长n型掺杂的GaAs下电极2；50个周期的多量子阱层3；60nm厚的AlxGa1-xAs势垒层4；n型掺杂的GaAs上电极层5；所说的多量子阱层3，每个周期包括1个60nm的Al0.15Ga0.85As势垒层和1个6nm的GaAs量子阱层，量子阱的掺杂浓度为1.0×1018cm-3；发射极和集电极是n型掺杂的Al0.15Ga0.85As，掺杂浓度为2.0×1017cm-3。
根据上述实施例，严格的理论计算表明，甚长波量子阱红外探测器在40K的工作温度下，当器件的下电极层(发射极层)的掺杂浓度从常规的1.0×1018cm-3降低到2.0×1017cm-3，在3.0伏偏压条件下时暗电流降低2到3个量级，相应的器件噪声下降1个量级；当器件的量子阱层掺杂浓度从常规的2.0×1017cm-3增加到1.0×1018cm-3时，在3.0伏偏压条件下时器件的光吸收系数增强3到4倍，相应的器件响应率提高3倍(器件横截面积均以240×240μm2计算)。从而器件的探测率将可以提高30到40倍。
器件具体应用中首先将器件工作温度降低到40K，调节工作电压到3伏特。为比较计，可同时将常规的GaAs/AlGaAs(电极层掺杂浓度为1.0×1018cm-3，量子阱层掺杂浓度为2.0×1017cm-3)在相同的工作条件下同时测试，本发明的甚长波量子阱红外探测器的探测率得到显著提升。
权利要求
1.一种镓砷/铝镓砷甚长波量子阱红外探测器，包括GaAs衬底层(1)，在GaAs衬底层上通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长n型掺杂的GaAs下电极(2)；50个周期的多量子阱层(3)；55-60nm的AlxGa1-xAs势垒层(4)；n型掺杂的GaAs上电极层(5)；其特征在于所说的n型掺杂电极层的掺杂浓度范围在1.0-2.0×1017cm-3；所说的AlxGa1-xAs势垒层(4)，其中x＝0.14-0.15；所说的50个周期的多量子阱层(3)，每个周期包括1个55-60nm的AlxGa1-xAs势垒层，其中x＝0.14-0.15；1个6-7nm的GaAs量子阱层，其中量子阱层的掺杂浓度范围为1.0-2.0×1018cm-3。
全文摘要
本发明公开了一种镓砷/铝镓砷甚长波量子阱红外探测器，该探测器与传统甚长波量子阱红外探测器的区别在于它是由低掺杂的电极层和高掺杂的量子阱层构成。在深低温器件工作温度下，量子阱层掺杂的适度提高不会使整个器件的暗电流明显变化，此时量子阱器件电极层的掺杂浓度的降低，使整个器件暗电流和噪声显著下降；高掺杂的量子阱层使整个器件的光吸收系数显著增强；相比传统的镓砷/铝镓砷甚长波量子阱红外探测器，本发明的甚长波量子阱红外探测器的探测率得到显著提升。
文档编号H01L31/101GK1996622SQ200610148069
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者陆卫, 熊大元, 李宁, 甄红楼, 张波, 陈平平, 李天信, 陈效双, 李志锋 申请人:中国科学院上海技术物理研究所