专利名称：共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及铟镓砷/镓砷(InGaAs/GaAs)长波量子阱红外探测器，具体是指一种共振隧穿双势垒结构增强的InGaAs/GaAs多量子阱红外探测器。
背景技术：
近十五年来，随着低维材料的迅猛发展，量子阱红外探测器的研发十分活跃。相比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，被人们普遍看好的是InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探测器，它在长波波段应用方面有着相当好的前途。由于常规的n型InxGa1-xAs/GaAs多量子阱探测器是利用窄带隙的InxGa1-xAs和宽带隙的GaAs形成量子阱结构，InxGa1-xAs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，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机制。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InxGa1-xAs/GaAs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InxGa1-xAs/GaAs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可实现对量子阱红外探测器暗电流显著抑制而光电流显著增强的双势垒共振隧穿量子阱红外探测器。
本发明的技术方案是在常规多量子阱探测器的每个周期后端加入一个共振隧穿双势垒结构实现对探测器的探测率提高。
本发明的量子阱红外探测器，包括GaAs衬底，在GaAs衬底上依次排列生长n型重掺杂的GaAs下电极层、多量子阱层、非掺杂GaAs势垒层、n型重掺杂的GaAs上电极层。所说的多量子阱层为多个周期交替排列的量子阱结构层和双势垒共振隧穿结构层。
所说的量子阱结构层为依次排列的非掺杂GaAs势垒层、InxGa1-xAs(x＝0.09～0.11)非掺杂量子阱层、非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.04～0.06)势垒层、InxGa1-xAs(x＝0.14～0.16)掺杂量子阱层。量子阱结构层的深度和宽度由组分确定。
所说的双势垒共振隧穿结构层为依次排列的非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.39～0.41)势垒层、非掺杂InxGa1-xAs(x＝0.14～0.16)量子阱层、非掺杂AlxGa1-xAs(x＝0.39～0.41)势垒层。
本发明器件的工作原理当对器件加一定偏压且无光照时发射极光生载流子的第一激发态能量跟隧穿结构的局域子能级相偏离，此时器件可以注入的热激发载流子及光生载流子浓度均很小，即暗电流很小。但当器件在一定偏压下并加上光照作用后势垒及量子阱发生倾斜，当入射红外光能量等于掺杂量子阱的激发态能级和基态能级的能量差时，引起红外吸收。处于基态能级的束缚态电子吸收红外光的能量，跃迁到高能级的激发态，当非掺杂量子阱的局域子能级与激发态能级的电子能量和隧穿结构中央量子阱的准局域子能级平齐时，将引起光生载流子的共振隧穿，器件的光电流值开始迅速增大，器件的探测率得到提高。
本发明器件的结构相对于不含隧穿二极管结构的常规量子阱结构而言有以下来自基本量子力学原理上的优势1.由于激发态是一个分裂的量子能级，不同于常规量子阱结构中是处于连续态中，所以暗电流在光跃迁能级以上的能量范围中的态密度被大大压缩，所以热离化的暗电流和热辅助隧穿的暗电流这二种主导的暗电流被有效地抑制了；2.依然是由于激发态变成了受限分裂能级，导致了激发态上波函数在量子阱区域的急剧增强，为此引起了在红外探测中基态向第一激发态之间跃迁几率，进而吸收系数的急剧增强。
基于上述2个优点，对探测器的功能就形成了暗电流的有效降低和光吸收系数的有效提高，从而有效地改善了量子阱红外探测器中光吸收系数偏小、暗电流偏大的缺点。
图1为本发明的多量子阱探测器的结构示意图；图2为本发明的多量子阱红外探测器的能带结构示意图；图3为本发明的多量子阱红外探测器的工作原理示意图；图4为本发明的多量子阱器件(10个周期)与常规GaAs/InGaAs长波量子阱器件(10个周期)的暗电流曲线图(器件工作温度40K)；图5为本发明的多量子阱器件(10个周期)与常规GaAs/InGaAs长波量子阱器件(10个周期)的光电流曲线图(器件工作温度40K)。
具体实施例方式
下面以峰值探测波长在14μm附近的GaAs/InGaAs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。
如图1所示，采用分子束外延方法在GaAs衬底1上依次排列生长n型重掺杂的GaAs层2作为器件下电极的接触层、多量子阱层3、n型Si重掺杂GaAs层4，掺杂浓度1.0×1018cm-3，作为器件上电极引出层。
所说的多量子阱层3由10个周期交替排列的量子阱结构层和双势垒共振隧穿结构层再加上一层50nm厚的非掺杂GaAs势垒层308组成。
每个周期中的量子阱结构层为依次排列的50nm厚的非掺杂GaAs势垒层301；1.5nm的In0.1Ga0.9As非掺杂量子阱层302；1.5nm非掺杂Al0.05Ga0.95As势垒层303；6nm的In0.15Ga0.85As掺杂量子阱层304，Si掺杂浓度为2.0×1017cm-3。
每个周期中的共振隧穿结构层为依次排列的2nm厚的非掺杂Al0.4Ga0.6As势垒层305；2nm的非掺杂In0.15Ga0.85As量子阱层306；2nm的非掺杂Al0.4Ga0.6As势垒层307。
器件具体应用时要首先将器件偏压调到即将共振隧穿发生之前，即通过器件的电流电压曲线将偏压调到负阻振荡的峰值后，降低偏压到负阻振荡峰的半峰宽处，形成器件工作的偏压工作点，外界入射的背景光通量不同，该偏压工作点会自动地做相应变化。
权利要求
1.一种共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器，包括GaAs衬底(1)，在GaAs衬底上依次排列生长n型重掺杂的GaAs下电极层(2)、多量子阱层(3)、n型重掺杂的GaAs上电极层(4)；其特征在于所说的多量子阱层为多个周期交替排列的量子阱结构层和双势垒共振隧穿结构层，最后另加一层非掺杂GaAs势垒层(308)。
2.根据权利要求1的一种共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器，其特征在于所说的量子阱结构层为依次排列的非掺杂GaAs势垒层(301)；InxGa1-xAs非掺杂量子阱层(302)，其中x＝0.09～0.11；非掺杂AlxGa1-xAs势垒层(303)，其中x＝0.04～0.06；InxGa1-As掺杂量子阱层(304)，其中x＝0.14～0.16。
3.根据权利要求1的一种共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器，其特征在于所说的双势垒共振隧穿结构层为依次排列的非掺杂AlxGa1-xAs势垒层(305)，其中x＝0.39～0.41；非掺杂InxGa1-xAs量子阱层(306)，其中x＝0.14～0.16；非掺杂AlxGa1-xAs势垒层(307)，其中x＝0.39～0.41)。
全文摘要
本发明公开了一种共振隧穿增强铟镓砷/镓砷量子阱红外探测器，该探测器是在常规的多量子阱层的每个周期后端加入一个共振隧穿双势垒结构。这种结构的优点是可对量子阱红外探测器的暗电流显著抑制而光电流显著增强，从而实现对探测器的探测率提高。
文档编号H01L31/101GK1996621SQ200610148068
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, 殷菲, 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