基于共振隧穿效应的近红外探测器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及近红外探测器，具体涉及一种基于共振隧穿效应，可在室温下工作的高灵敏度近红外探测器器件结构设计。
【背景技术】
[0002]高灵敏度近红外光探测在微光夜视、精确制导、激光三维成像、空间遥感等方面具有广阔的应用前景，尤其是随着近些年来量子信息技术的飞速发展，对1310nm和1550nm波段的光探测技术提出了越来越高的要求。目前，在近红外波段使用较为广泛的探测器类型主要是雪崩二极管，其工作机制是基于光生载流子在倍增区内的倍增现象，为了实现较高的灵敏度，雪崩二极管需要工作于盖革模式，这需要很高的工作电压，并将不可避免的增大过剩噪声和后脉冲计数。因此，高性能新型光电探测器的探索和研究，非常具有必要性和迫切性。
[0003]近年来，世界各地的多个研究小组对基于共振隧穿效应的光探测进行了研究，他们在共振隧穿二极管中加入了吸收层和量子点层，入射光被吸收层吸收后产生光生电子空穴对，光生空穴漂移至量子点层并被量子点捕获，这将调控双势皇两侧的电势，造成隧穿电流的变化。相比传统类型的单光子探测器，基于共振隧穿效应的光电探测器在工作电压、量子效率、暗计数等方面，均具有独特的优势。为了增强量子点对光生空穴的束缚作用并抑制噪声，这种类型的探测器往往需要很低的工作温度，这极大地限制了该类型探测器的应用领域。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]针对现有结构存在的制约因素，本发明提供了一种基于共振隧穿效应，可在室温下工作的高灵敏度光电探测器器件结构。
[0006]本发明所设计的近红外探测器结构的主体结构是一个共振隧穿二极管，但将共振隧穿二极管通常采用的双势皇结构变更为三势皇结构，沿外延生长方向依次设计为衬底、电极、发射极、隔离层、势皇层、量子阱、势皇层、量子阱、势皇层、吸收层、集电极和电极。
[0007]本发明所设计的近红外探测器结构的制备方法为:首先采用分子束外延技术生长探测器的材料层，生长之前需要先对衬底进行除气和脱氧处理，外延生长的顺序为:发射极(η型重掺杂)、隔离层(不掺杂)、势皇层(不掺杂)、量子阱(不掺杂)、势皇层(不掺杂)、量子阱(不掺杂)、势皇层(不掺杂)、吸收层(不掺杂)、集电极(η型重掺杂)。其中吸收层厚度范围是0.1-2 μ m，采用材料为InGaAs。隔离层的厚度范围为2_20nm，势皇层的厚度范围为l_7nm，量子阱的厚度范围为l-7nm。三势皇结构中，靠近集电极一侧的势阱厚度小于靠近发射极一侧的势阱厚度。然后采用刻蚀技术形成台面，并采用S1Jt器件侧壁进行钝化，通过湿法腐蚀在器件顶部形成光敏面。
[0008]最后采用金属溅射及剥离技术形成电极。
[0009]探测器工作时加正向偏压，近红外光从集电极入射，并在吸收层产生光生电子-空穴对，光生电子在电场作用下向集电极方向漂移，光生空穴在电场作用下向三势皇结构方向漂移，由于受到空穴势皇的阻挡，光生空穴将在双势皇结构和吸收层的界面处堆积，这将改变三势皇结构两侧的电势，进而增大隧穿电流，产生可探测的电信号。
[0010](三)有益效果
[0011]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0012](I)通过将双势皇结构变更为三势皇结构，降低了探测器的散粒噪声；
[0013](2)探测器基于共振隧穿效应进行光探测，能够在室温下维持很高的响应度；
[0014](3)本发明的主体结构为共振隧穿二极管，这是电路中的一种常用元件，因此本发明便于与其它光电子器件集成。
【附图说明】
[0015]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0016]图1是基于共振隧穿效应的高灵敏度近红外探测器的结构图；
[0017]图2是基于共振隧穿效应的高灵敏度近红外探测器的工作原理图；
[0018]图3a是采用图1所述结构制备的样品在有光照时的伏安特性曲线；
[0019]图3b是采用图1所述结构制备的样品在无光照时的伏安特性曲线。
【具体实施方式】
[0020]需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0021]在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种采用分子束外延技术，根据图1所示结构，制备高灵敏度近红外探测器的方法。
[0022]首先在InP衬底I上外延生长厚度为lOOnm、掺杂浓度为2X 118Cm3的η型Ina53Gaa47As作为发射极2，然后生长20nm的Ina53Gaa47As隔离层3，接下来依次生长5MLAlAs 势皇层 4、8nm Ina53Gaa47As 量子讲 5、5ML AlAs 势皇层 4、5nm Ina53Gaa47As 量子讲 6和5ML AlAs势皇层4构成三势皇结构，然后生长100nm的Ina53Gaa47As吸收层7，接着生长厚度为lOOnm、掺杂浓度为I X 101S-2X 118Cm 3的η型In a53GaQ.47As作为集电极11，最后通过光刻后溅射剥离Au形成环形上电极9和下电极10。
[0023]基于共振隧穿效应的高灵敏度近红外探测器的探测机理如图2所示，探测器工作时加正向偏压，近红外光从集电极8入射后，在吸收层7被吸收并产生光生电子11和光生空穴12。光生电子11在电场作用下向集电极8方向漂移，光生空穴12在电场作用下向发射极2方向漂移。由于受到AlAs势皇层4的阻挡，光生空穴12在吸收层7和AlAs势皇层4的界面处堆积，这将改变三势皇结构两侧的电势，进而增大隧穿电流，产生可探测的电信号。
[0024]为了验证本发明的效果，申请人对探测器在室温下的光响应进行了测试。图3a、3b为采用图1所述结构所生长样品在有、无光照时的伏安特性曲线，测试时探测器光敏面的入射光功率为0.5pff0通过计算可以得出，器件偏压为0.44V时，探测器的光响应度为
1.7X 10SA/W。而在国外的报道中，采用GaAs/AlGaAs/GaAs双势皇结构和GaInNAs吸收层，并采用共振腔增强技术后，其在室温下对PW量级入射光的响应度为3.1X104A/W。[参考文献:Andreas Pfenning, etl.Cavity-enhanced resonant tunneling photodetector attelecommunicat1n, wavelengths.APPLIED PHYSICS LETTERS 104,101109(2014)]
[0025]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。
【主权项】
1.一种基于共振隧穿效应的近红外探测器，探测器的主体结构为共振隧穿二极管，其特征在于:共振隧穿二极管具有三势皇结构，沿外延生长方向依次设计为衬底、电极、发射极、隔离层、势皇层、量子阱、势皇层、量子阱、势皇层、吸收层、集电极和电极。2.如权利要求1所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器，其特征在于:其中吸收层厚度范围是0.1-2 μ m，采用材料为InGaAs。3.如权利要求1所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器，其特征在于:其中发射极为η型重掺杂，隔离层和势皇层不掺杂，量子阱和吸收层不掺杂，集电极为η型重掺杂。4.如权利要求3所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器，其特征在于:其中三势皇结构中，靠近集电极一侧的势阱厚度小于靠近发射极一侧的势阱厚度。5.如权利要求1所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器的制备方法，其特征在于:首先采用分子束外延技术生长探测器的材料层，外延生长的顺序为:发射极、隔离层、势皇层、量子阱、势皇层、量子阱、势皇层、吸收层和集电极； 然后采用刻蚀技术形成台面，并采用S12对器件侧壁进行钝化，通过湿法腐蚀在器件顶部形成光敏面； 最后采用金属溅射及剥离技术形成电极。6.如权利要求5所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器的制备方法，其中吸收层厚度范围是0.1-2 μ m，采用材料为InGaAs。7.如权利要求5所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器的制备方法，其中，隔离层的厚度范围为2-20nm，势皇层的厚度范围为l_7nm，量子阱厚度范围为l_7nm。8.如权利要求7所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器的制备方法，其中，三势皇结构中，靠近集电极一侧的势阱厚度小于靠近发射极一侧的势阱厚度。9.如权利要求8所述的基于共振隧穿效应的近红外探测器的制备方法，其中，发射极为η型重掺杂，隔离层和势皇层不掺杂，量子阱和吸收层不掺杂，集电极为η型重掺杂。
【专利摘要】本发明提供一种基于共振隧穿效应的近红外探测器，其主体结构是一个共振隧穿二极管，但将共振隧穿二极管通常采用的双势垒结构变更为三势垒结构，以此抑制探测器的散粒噪声，并在三势垒结构和集电极之间外延生长吸收层。探测器工作时加正向偏压，近红外光从集电极入射，并在吸收层产生光生电子一空穴对，光生空穴在电场作用下向三势垒结构方向漂移，并在双势垒结构和吸收层的界面处堆积，进而改变了三势垒结构两侧的电势，增大了隧穿电流。探测器在室温下具有很高的响应度。
【IPC分类】H01L21/329, H01L29/06, H01L29/88
【公开号】CN105047725
【申请号】CN201510308843
【发明人】王广龙, 董宇, 倪海桥, 陈建辉, 高凤岐, 乔中涛, 裴康明, 牛智川
【申请人】中国科学院半导体研究所, 中国人民解放军军械工程学院
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年6月8日