专利名称：量子级联探测器结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电探测技术，尤其涉及一种量子级联探测器结构。
背景技术：
红外探测器是一类具有重要应用价值的探测器，其应用涵盖了军事、医疗、科学研 究以及日常生活的各个领域，不断探索和发展新型、高性能的红外探测器具有重要意义。目 前，作为红外焦平面探测元的探测器主要为光导型的HgCdTe红外探测器或光导型的量子 阱红外探测器。由于光导型探测器外加电场会引入比较大的暗电流，从而容易饱和红外焦 平面阵列的读出电路电容并带来比较大的暗电流噪声和功耗，因此不需要外加电场，依靠 光伏效应工作的光伏型红外探测器始终受到广泛关注和研究，但是通常的光伏型红外探测 器在探测率和工作温度上始终不及光导型红外探测器。提高光伏型红外探测器的探测性能 是目前红外探测器的主要研究方向之一。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种不同于现有光伏型量子阱红外探测器探测机理的量 子级联探测器结构。现有的光伏型红外量子阱探测器的思路是通过光电子与杂志中心分离 形成极化势而产生光伏电压，而本发明通过特殊的阶梯形的能带结构设计提供单向的电子 输运，从而产生光伏电流，因此具有更强的光伏响应，并具有更高的器件电阻以及更低的噪 声和功耗，而量子级联探测器中的强电子-声子相互作用使激发电子弛豫时间比带间复合 时间要短很多。因而量子级联探测器比常规的光导型量子阱探测器以及现有的光伏型红外 量子阱探测器具有更高的探测率和更好的频率性能。在工作温度方面，本发明的量子级联 探测器在一定波长下已经达到室温工作。本发明提供一种量子级联探测器结构，包括一衬底；一下欧姆接触层，该下欧姆接触层制作在衬底上，该下欧姆接触层进行高浓度掺 杂从而实现与电极材料的欧姆接触；—势垒隔离层，该势垒隔离层制作在下欧姆接触层上的中间部位，使下欧姆接触 层的四周形成台面，该势垒隔离层不掺杂；一多周期的有源区结构层，该多周期的有源区结构层制作在势垒隔离层上，该多 周期的有源区结构层是实现探测器的探测光电流的核心部位；一上欧姆接触层，该上欧姆接触层制作在多周期的有源区结构层上，该上欧姆接 触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；一上电极，该上电极制作在上欧姆接触层上； 一下电极，该下电极做在下欧姆接触层四周的台面上。其中所述的衬底的材料为砷化镓或磷化铟。其中所述的衬底的底面的一侧形成一 45度的斜面。
其中所述的下欧姆接触层的材料为砷化镓或铟镓砷。其中所述的势垒隔离层的材料为砷化镓或铟镓砷。其中所述的多周期的有源区结构层的周期数为10-50个。其中所述的多周期的有源区结构层的每一周期结构由多个量子阱组成，每个量子 阱由不同厚度的势垒层隔离，第一个量子阱最宽，并进行高浓度掺杂，电子在该阱中发生光 激发跃迁，第二个及以后的量子阱均不掺杂，第二个量子阱最窄，随后的量子阱宽度逐渐加 宽直至接近第一个量子阱的宽度。其中所述的有源区结构层的每一周期结构中的量子阱的材料为砷化镓或铟镓砷， 势垒层的材料为铝镓砷或铟铝砷。其中所述的上欧姆接触层的材料为砷化镓或铟镓砷。
为了进一步说明本发明的特征和效果，下面结合附图及具体实施例对本发明做进 一步的说明，其中图1为本发明的实施例，其是量子级联探测器结构的截面示意图。图2为按图1所述的实施例中，其一个周期的有源区的能带示意图。
具体实施例方式请参阅图1所示，本发明提供一种量子级联探测器结构，包括一衬底10，该衬底10的材料为砷化镓或磷化铟，该衬底10的底面的一侧形成一 45度的斜面，这是由于量子级联探测器的子带跃迁只能吸收入射光的TM极化分量，入射光 垂直该45度斜面入射；一下欧姆接触层20，该下欧姆接触层20制作在衬底10上，该下欧姆接触层20进 行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触，该下欧姆接触层20的材料为砷化镓或铟 镓砷，掺杂为硅掺杂，浓度一般为lX1018cm_3 ；一势垒隔离层30，该势垒隔离层30制作在下欧姆接触层20上的中间部位，使下欧 姆接触层20的四周形成台面，该势垒隔离层30不掺杂，该势垒隔离层30的材料为砷化镓 或铟镓砷，厚度一般为2-5nm ；—多周期的有源区结构层40，该多周期的有源区结构层40制作在势垒隔离层30 上，该多周期的有源区结构层40是实现探测器的探测光电流的核心部位，该多周期的有源 区结构层40的周期数为1050个，本实施例的周期数为30个，该多周期的有源区结构层 40的每一周期结构由多个量子阱组成，每个量子阱由不同厚度的势垒层隔离，第一个量子 阱最宽，并进行高浓度掺杂，电子在该阱中发生光激发跃迁，第二个及以后的量子阱均不掺 杂，第二个量子阱最窄，随后的量子阱宽度逐渐加宽直至接近第一个量子阱的宽度，该有源 区结构层40的每一周期结构中的量子阱的材料为砷化镓或铟镓砷，势垒层的材料为铝镓 砷或铟铝砷；一上欧姆接触层50，该上欧姆接触层50制作在多周期的有源区结构层40上，该上 欧姆接触层50进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触，该上欧姆接触层50的材 料为砷化镓或铟镓砷，掺杂为硅掺杂，浓度一般为lX1018cm_3 ；
一上电极60，该上电极60制作在上欧姆接触层50上；一下电极70，该下电极70做在下欧姆接触层20四周的台面上。以下详细说明上述所提供的量子级联探测器结构的有源区结构层40设计依据 和设计方法。以探测波长为10. 7 y m的量子级联探测器为例，如图2所示，量子级联探 测器的一个周期的有源区能带结构设计为第一个量子阱为硅掺杂量子阱，掺杂浓度为 4. 5X1017cm-3,该量子阱最宽，宽度为105 A。第二个量子阱不掺杂，该量子阱最窄，宽度为 39 A。第三和第四个量子阱均不掺杂，并且宽度逐渐加宽，分别为50 A和68 A。四个势垒 厚度分别为52 A、47 A、48 A和44 A。由于第一个量子阱中的第一激发态和与之相邻 的第二个量子阱基态能级高度交叠，因此光激发的电子通过隧穿从第一个量子阱的第一激 发态进入第二个量子阱的基态。由于随后的量子阱阱宽逐渐加宽，相邻量子阱的基态能量 的间隔形成一个个接近一个长纵光学声子的能量台阶，光激发电子通过强电子_声子相互 作用，以类似下台阶的形式迅速释放能量弛豫回到下一个周期的掺杂量子阱，在到达下一 个周期的掺杂量子阱后，重复之前所述的光激发过程。对于其它探测波长的量子级联探测 器，有源区结构层40中的量子阱和势垒的宽度及数量均由探测波长决定。电子如上所述的单向循环运动使量子级联探测器能够提供持续的光电流，该光电 流信号强度大于现有的光伏型红外量子阱探测器。这带来很多好处第一在探测时，量子级 联探测器作为提供光电流的电流源，不需要任何外部偏置电压，只需要对光电流进行放大， 因此大大简化了测试电路。第二，量子级联探测器的探测性能只受到热噪声的限制，由于 热噪声要比外加电场引起的暗电流的噪声小很多，因而量子级联探测器具有更好的噪声特 性。第三，暗电流容易使读出电路的电容达到饱和，因此通常光导型红外焦平面阵列的积分 时间比较短。而量子级联探测器的电流主要是光电流，其红外焦平面阵列可以达到很长的 积分时间，成像更为清晰。第四，由于不需要外加电场，量子级联探测器功耗小，发热低，具 有更高的热分辨率。第五，量子级联探测器基于有源阱中束缚态到束缚态的子带跃迁带，因 此探测光谱线宽比较狭窄，从而减小了背景辐射的干扰，进一步提高了量子级联探测器的 噪声性能。第六，量子级联探测器中强的电子_声子相互作用使子带间的电子弛豫时间比 带间复合时间要短很多，并且没有载流子积累效应，因此理论上量子级联探测器的工作频 率可以达到很高，非常适合作为高速光电器件。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种量子级联探测器结构，包括一衬底；一下欧姆接触层，该下欧姆接触层制作在衬底上，该下欧姆接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；一势垒隔离层，该势垒隔离层制作在下欧姆接触层上的中间部位，使下欧姆接触层的四周形成台面，该势垒隔离层不掺杂；一多周期的有源区结构层，该多周期的有源区结构层制作在势垒隔离层上，该多周期的有源区结构层是实现探测器的探测光电流的核心部位；一上欧姆接触层，该上欧姆接触层制作在多周期的有源区结构层上，该上欧姆接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；一上电极，该上电极制作在上欧姆接触层上；一下电极，该下电极做在下欧姆接触层四周的台面上。
2.根据权利要求1所述的量子级联探测器结构，其中所述的衬底的材料为砷化镓或磷 化铟。
3.根据权利要求1或2所述的量子级联探测器结构，其中所述的衬底的底面的一侧形 成一 45度的斜面。
4.根据权利要求1所述的量子级联探测器结构，其中所述的下欧姆接触层的材料为砷 化镓或铟镓砷。
5.根据权利要求1所述的量子级联探测器结构，其中所述的势垒隔离层的材料为砷化 镓或铟镓砷。
6.根据权利要求1所述的量子级联探测器结构，其中所述的多周期的有源区结构层的 周期数为10-50个。
7.根据权利要求1或6所述的量子级联探测器结构，其中所述的多周期的有源区结构 层的每一周期结构由多个量子阱组成，每个量子阱由不同厚度的势垒层隔离，第一个量子 阱最宽，并进行高浓度掺杂，电子在该阱中发生光激发跃迁，第二个及以后的量子阱均不掺 杂，第二个量子阱最窄，随后的量子阱宽度逐渐加宽直至接近第一个量子阱的宽度。
8.根据权利要求1或7所述的量子级联探测器结构，其中所述的有源区结构层的每一 周期结构中的量子阱的材料为砷化镓或铟镓砷，势垒层的材料为铝镓砷或铟铝砷。
9.根据权利要求1所述的量子级联探测器结构，其中所述的上欧姆接触层的材料为砷 化镓或铟镓砷。
全文摘要
一种量子级联探测器结构，包括一衬底；一下欧姆接触层，该下欧姆接触层制作在衬底上，该下欧姆接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；一势垒隔离层，该势垒隔离层制作在下欧姆接触层上的中间部位，使下欧姆接触层的四周形成台面，该势垒隔离层不掺杂；一多周期的有源区结构层，该多周期的有源区结构层制作在势垒隔离层上，该多周期的有源区结构层是实现探测器的探测光电流的核心部位；一上欧姆接触层，该上欧姆接触层制作在多周期的有源区结构层上，该上欧姆接触层进行高浓度掺杂从而实现与电极材料的欧姆接触；一上电极，该上电极制作在上欧姆接触层上；一下电极，该下电极做在下欧姆接触层四周的台面上。
文档编号H01L31/101GK101894876SQ20101019186
公开日2010年11月24日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者刘俊岐, 刘峰奇, 孔宁, 李路, 王利军, 王占国 申请人:中国科学院半导体研究所