专利名称：量子放大的p型量子阱红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及p型量子阱红外探测器，特别是指一种用于探测中波(3-5um)、 长波(8-12um)的量子点共振隧穿二极管辅助的量子放大的p型量子阱红外探 观!j器。
技术背景量子阱红外探测器(QWIP)在近十年中发展很快，从单个器件到焦平面器 件的研制工艺都已经相当完善。其中n型量子阱红外探测器(n-QWIP)由于电 子有效质量小，迁移率高，器件对红外辐射具有很高的探测率和响应速率，得 到了人们的广泛研究。但n-QWIP由于受量子跃迁选择定则的限制，必须使用介 质或金属耦合光栅才能对正入射光有吸收，给焦平面器件制备工艺带来了极大 的困难。而对于p型量子阱红外探测器，由于轻、重空穴带的混合，正入射光 可以直接诱导空穴亚带跃迁，无需耦合光栅就可以被p-QWIP吸收，因而易于进 行焦平面制备。但由于空穴有效质量较大、迁移率低，难以以微米量级传输过 电极层，形成光电流，因而器件的量子效率和探测率都很低。共振隧穿二极管的电流一电压曲线具有很强的非线性，在共振隧穿峰值电 压附近偏压的稍许变化就能导致隧穿电流的极大变化。如果在共振隧穿双势垒 前面埋入一层量子点，形成量子点共振隧穿二极管(QD-RTD),则量子点中的 充放电会导致量子点区域电势有meV量级的变化，进而形成共振隧穿二极管从非共振隧穿状态演变到共振隧穿状态。 一旦把这样的充放电过程由光照下光生 载流子对量子点的充放电过程来实现，就有可能形成对光生载流子的信号的量 子放大，形成105—108的放大倍数。因此，如果将该具有巨大放大倍数的量子点 共振隧穿二极管引入对有正入射响应的P-QWIP，实现红外光响应信号的极大放大，就可解决p-QWIP的量子效率和探测率都很低的问题。发明内容基于p型量子阱红外探测器低量子效率的缺点，本发明的目的就是要提出 一种将p型量子阱集成到量子点共振隧穿二极管的本征光吸收区中的量子放大 的p型量子阱红外探测器。本发明的量子放大p型量子阱红外探测器基于的原理是利用p型量子阱 中空穴态间光跃迁，形成能够改变隧穿二极管量子点区域电势的空穴对量子点 的有效注入，从而使得隧穿二极管处于近共振状态下的发射极电子会在空穴注 入到量子点后发生共振隧穿，到达集电极，为此由隧穿的电子电流表达了空穴光电流，并把空穴光电流进行了高达105— 108放大倍数的放大。从而使得器件同时拥有p型量子阱探测器无需耦合光栅的简单工艺和极高量子放大倍数形成的 很高量子效率和响应率。本发明的量子放大的p型量子阱红外探测器结构，包括量子点共振隧穿 二极管和P型量子阱有源层。所说的量子点共振隧穿二极管由半绝缘GaAs衬底，在半绝缘GaAs衬底上 通过分子束外延或金属有机气相外延方法依次排列生长GaAs缓冲层、AlAs腐 蚀阻挡层、掺杂浓度渐变的n+GaAs下电极层、第一 GaAs间隔层、双势垒结构 层、第二 GaAs间隔层、InAs量子点、本征GaAs量子点覆盖层、第三GaAs间 隔层和n+GaAs上电极层组成。所说的双势垒结构层为AlxGa"As/GaAs/AlxGa^As ，组分x=0.33-1.0。 所说的InAs量子点的密度为(1-9) Xl(T帥一2。所说的P型量子阱有源层设置在量子点共振隧穿二极管的本征GaAs量子点 覆盖层和第三GaAs间隔层之间。所说的P型量子阱有源层为1-10个周期的InyGai-y As/GaAs层，组分 y=0.1-0.6， InyGa,.y As为势阱，GaAs为势垒。本发明器件工作在正偏压模式下，由于P型量子阱有源层处于耗尽区中， 为了保证较小的暗电流噪声，器件应工作在液氦温度(4.2K)到液氮温度(77K) 之间。本发明的器件优点如下1. 可以在正入射条件下工作，克服了常规n型量子阱红外探测器在正入射 条件下不响应的困难，易于焦平面器件的制备。2. 采用量子放大途径，使得其等效量子效率，即一个光子入射后会形成1 个电子的几率，达到1000%以上(取一个周期p量子阱的量子效率为1%，产生 的空穴被量子点的俘获几率为1%，量子点共振燧穿二极管的放大倍数为105)。 因而本发明的器件对中、长波红外有较高的响应率。3. 器件工艺与量子点共振隧穿二极管工艺兼容，无特殊要求。
图1为本发明的量子放大的p型量子阱红外探测器结构示意图。 图2为本发明的量子放大的p型量子阱红外探测器在工作状态下的能带示 意图，并在图中示意出了电子、光生空穴的传输路径。图右下方示意出了p-QWIP 掺杂Ina4Gao.6As量子阱的能级。掺杂后的空穴集聚在HH1能级，在8.8 u m长 波下跃迁到HH3能级，在5um中波红外下跃迁到HH4能级。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明 本实施例的量子放大的p型量子阱红外探测器结构如图1所示。在半绝缘GaAs衬底1上通过分子束外延或金属有机气相外延方法依次生长100-300nm GaAs缓冲层2、 AlAs腐蚀阻挡层3、惨杂浓度渐变的n+GaAs下电极4、第一 GaAs 间隔层5、 GaAs/AlGaAs双势垒层6、第二GaAs间隔层7、 InAs量子点8、覆盖 在InAs量子点上的本征GaAs量子点覆盖层9、 1-10个周期的InyGai-y As/GaAs 量子阱有源层IO、第三GaAs间隔层ll、 n+GaAs上电极层12。AlAs腐蚀阻挡层3厚度由工艺决定， 一般在20nm以下，优选值为10nm。 渐变n+GaAs下电极层4的厚度和掺杂浓度也由器件的工作偏压来决定，这 里给出的优选值为380nm厚，渐变掺杂浓度为lx1018-1><1016^-3 。 第一 GaAs间隔层5厚度在5-50nm之间，优选值为20nm。 所说的GaAs/AlGaAs双势垒层6依次由AlxGa^As势垒层6-1、 GaAs量子阱 6-2和AlxGa^As势垒层6-1组成。其中GaAs量子阱厚度在5-10nm内，ALGa卜xAs 势垒厚度在1-lOnm内，x组分范围在O. 33-1.0内。优选值有两组GaAs 8nm， AlAs 3画；GaAs 10nm， Al。.33GaQ67As 10nm。不同的势垒厚度决定了探测器工作 电流的大小。第二 GaAs间隔层7主要起调节量子点和双势垒6耦合程度的作用，厚度在0-5nm内，优选值为2nm。InAs量子点8的密度在(1-9) Xl01。，-2，优选值为l(yVm-2。GaAs量子点覆盖层9的厚度在30-lOOnm，优选值为40nm。InyGai.y As/GaAs量子阱有源层10的周期数在1-10内，y在0. 1-0. 6之间。如果要探测的波长在中波、长波红外区间，则组分要选用y=0.4，才能保证InyGai.y As势阱能级重空穴能级朋3与GaAs势垒共振，重空穴朋l能级到HH3、 HH4的跃迁能量在中波、长波红外区间。这里给出的实例为In .4Ga。.6As/GaAsBe 掺杂量子阱有源层，In。.4Ga。.sAs厚度为4nm， GaAs势垒厚35nm， Be掺杂浓度为 4X1018cnf3;量子阱的有源层重复数为3个周期。第三GaAs间隔层11的厚度在35nm-100nm内，优选值为40nm。 GaAs上电极层12的厚度在50nm-300nm内，优选值为50nm，硅掺杂浓度2 X 10'W3。器件工艺采用空气桥绝缘的量子点共振隧穿二极管工艺，工艺步骤参见 Phys. Rev. Lett. 94， 067401。不同于普通的台面工艺，空气桥绝缘工艺的器 件有效面积更小，而且欧姆接触电极远离器件的有源区，大大提高了光子利用 效率。器件有效面积一般取为lum2以下。器件在探测中需要加正偏压使双势垒层6发生共振隧穿。偏压大小取决于 器件共振隧穿峰值电压的大小。 一般取为器件暗背景下共振隧穿起峰电压到共 振隧穿峰值电压之间。器件探测的物理机制如图2所示。加正偏压后，下电极4作为发射极，其 费米能级和双势垒6内的量子阱能级对齐，电子共振隧穿过双势垒6，并在电场 作用下漂移到上电极12,即集电极。红外光照射下，p型量子阱有源层的重空 穴由朋1跃迁到HH3 (对8.8um长波红外)或者由HH1跃迁到HH4 (对5wm 的中波红外)。HH3能级与p量子阱有源层中的GaAs势垒10_1对齐，HH4能 级高于GaAs势垒10-1，因此跃迁到这个HH3、 HH4能级的空穴在电场作用下 向量子点漂移，并被量子点俘获。量子点俘获空穴后电势下降，使得邻近的GaAs 量子阱6-2能级也进一步降低。这样发射极，即下电极4发生共振隧穿的电子大 大增加，电流密度显著上升。因此红外光照射引起p型量子阱空穴的跃迁，量子点俘获后引起共振隧穿电子数的增加，使得器件电流密度大大提高。这就 实现了高灵敏度的中、长波红外探测。
权利要求
1.一种量子放大的p型量子阱红外探测器，包括量子点共振隧穿二极管和p型量子阱有源层(10)；所说的量子点共振隧穿二极管由半绝缘GaAs衬底(1)，在半绝缘GaAs衬底上通过分子束外延或金属有机气相外延方法依次排列生长GaAs缓冲层(2)、AlAs腐蚀阻挡层(3)、掺杂浓度渐变的n+GaAs下电极层(4)、第一GaAs间隔层(5)、双势垒结构层(6)、第二GaAs间隔层(7)、InAs量子点(8)、本征GaAs量子点覆盖层(9)、第三GaAs间隔层(11)和n+GaAs上电极层(12)组成；其中双势垒结构层(6)为AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAs，组分x＝0.33-1.0；InAs量子点的密度为(1-9)×1010cm-2；其特征在于所说的p型量子阱有源层(10)设置在量子点共振隧穿二极管的本征GaAs量子点覆盖层(9)和第三GaAs间隔层(11)之间。
2. 根据权利要求1的一种量子放大的p型量子阱红外探测器，其特征在于:所说的P型量子阱有缘层(10)为l-10个周期的InyGaLy As/GaAs， InyGai.y As 量子阱厚度为4nm， GaAs势垒厚为35nm，组分y为0.1-0.6。
全文摘要
本发明公开了一种量子放大的p型量子阱红外探测器。该探测器包括量子点共振隧穿二极管和p型量子阱有源层。其特征是p型量子阱有源层集成在量子点共振隧穿二极管的本征GaAs量子点覆盖层上。其核心机理为利用p型量子阱有源层进行中、长波红外吸收，产生的空穴由共振隧穿二极管的双势垒附近的量子点俘获，引起共振隧穿电流的强烈变化，从而使得本发明的器件兼有量子点共振隧穿二极管的高量子放大倍率和p型量子阱探测器的正入射红外波段响应能力。克服了制约量子阱红外探测器应用性能的二个关键问题，即正入射禁戒和量子效率低。
文档编号H01L31/111GK101262025SQ20081003625
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月18日 优先权日2008年4月18日
发明者颖 侯, 波 张, 宁 李, 李天信, 王旺平, 甄红楼, 卫 陆, 陈平平, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所