专利名称：双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体红外光电器件，具体涉及一种双垒结构的量子阱红外探测器(Double-Barrier Quantum Well Infrared Photodetectors,简称 DBQWIP)。
背景技术：
自从红外探测器于1950年发明，世界科学界对其开展了广泛的研究。早期的红外光电探测器多采用碲镉汞(HgCdTe)材料，但其可探测波长多为中红外至远红外波段。最近四十年来，涌现出大量的基于砷化镓(GaAs)衬底的II1-V族量子阱红外光电探测器(QWIP)的研究成果，使得这一新技术得到快速发展和广泛应用。与HgCdTe探测器相比，采用GaAs为衬底的探测器依托成熟的生长和制造工艺，具有高均匀性、可重复性、响应速度快、探测率高的优点。此外，由于我们能够精准的调节量子阱的能带结构，因而能够调节光电探测器的光谱响应波段，这有助于多光谱红外探测器整体集成的实现，其与高速GaAs多路复用器和其他电子产品的整体集成也成为可能。目前,通过应用k *p模型求解量子讲中本征态能级的经典方法(比如S.L.Chuang的教科书《Physics of Optoelectronic Devices))中就有关于k p模型的讲解)调节能带结构，采用GaAs衬底的量子阱红外光电探测器能够涵盖3-5以及8_12 u m的大气窗口波段。而对于热门的光通讯波段，能够探测1.31-1.55 红外波长的量子阱红外探测器很受期待。由于具有很短的载流子寿命，基于子带间跃迁的量子阱红外光电探测器能够提供比带间跃迁更高的响应速度，因此以子带间跃迁为基础的量子阱红外探测器成为研究热门。近年来，出现了很多以GaAs为衬底并采用单量子阱(SQW)结构，InGaAs/AlGaAs系统的半导体量子阱光电探测器。
发明内容
本发明的目的是提供一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法，其探测波长能够达到1.31 y m或更短波长，并且具有很强的波长可调性以及更快的响应速度。为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案:这种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，它包括:电源、金属接触层及核心部件，其特征在于:所述的核心部件包括=GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积由下至上依次逐层生长的:n型掺杂的GaAs缓冲层；n型掺杂的GaAs下接触层；双垒结构的多量子阱层核心工作区:以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；n型掺杂的GaAs上接触层；所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1=As外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGai_xASl_yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个。双垒量子阱采用了两种材料做势垒，一种势垒材料能够提供极宽的禁带，另一种势垒材料提供稍窄的禁带，由此形成复合势垒。我们采用的材料系统引入了氮元素，即InxGahAshNyAlAsAlzGahAs异质结。相比于无氮元素的InGaAs材料系统，仅加入很少量氮原子的材料系统就能够快速减小禁带宽度，同时降低了势阱层的压应变。氮的另外一种特性是它的加入只影响导带偏移量而不影响价带偏移量。在铟(In) 组分不变的情况下，仅加入2%的氮元素就可以使导带偏移量增加200meV.正是因为氮元素同时具备了以上的优点，使得InxGahAshNyAlzGahAs的系统有可能达到导带偏移量1.5eV，并由此可以取得1.31 y m甚至更短的响应波长。由于在InGaAs/AlGaAs材料系统中加入氮(N)兀素的InGaAsN/AlAs/AlGaAs双鱼量子阱(DBQW)结构具有相比于SQW的不对称性以及内建电场，这种结构能够产生更低的暗电流以及光电压效应，因此我们采用这种新颖的结构进行半导体量子阱光电探测器的设计制作。本发明的双垒量子阱红外光电探测器的工作原理为:异质结是量子阱能够工作的主要原因。异质结是由两种不同的半导体材料(比如本发明中的InGaAsN，AlAs’ AlGaAs,GaAs等)交替生长形成的。由于这两种材料具有不同的带隙或能带结构，并且在每一层材料厚度足够薄时，在异质结界面将发生能带的不连续分裂，也就是出现了量子效应。量子阱是由两层较宽带隙的材料包夹一层较窄带隙的材料而形成的，并且阱宽极薄，电子和空穴的分裂能级被束缚在势阱里。而双垒量子阱结构有部分电子和空穴分裂能级被局限在较宽的势垒里面，同时对势阱中的能级形成支撑和排斥的效应，因此本发明的势阱中的激发态能级能量更高，相对应的从基态到激发态的电子跃迁能量差更大，激发的光波长更短。这一结构在外加偏置电压的情况下形成光电流，通过对光电流的采集和分析，可实现对红外光的探测。本发明的最终实验结果与理论计算结果一致，能够有效实现对光通讯波段波长的探测。A 设计过程:此双垒量子阱结构的本征态能级满足薛定谔方程式:=(I)其中，^是总波函数。在求解过程中，我们应用k *p模型。其中量子阱的十维电子和空穴包络波函数可以写成:
权利要求
1.一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，它包括:电源、金属接触层及核心部件，其特征在于:所述的核心部件包括=GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积由下至上依次逐层生长的: n型掺杂的GaAs缓冲层； n型掺杂的GaAs下接触层； 双垒结构的多量子阱层核心工作区:以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；n型掺杂的GaAs上接触层； 所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGahAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGai_xASl_yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个。
2.如权利要求1所述的一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，其特征在于，所述GaAs缓冲层，接触层进行n型掺杂，所搀杂质为硅；所述量子阱层进行n型掺杂，所搀杂质为硅。
3.如权利要求1所述的一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器，其特征在于，中心阱宽ww的范围在2 5nm，内垒层宽度bwl的范围在I 2nm，外垒层宽度bw2的范围在20 30nm ;所述外势鱼，内势鱼，势讲中的In(x), N(y), Al (z),其x数值的范围在0.1 0.5，y的范围在0.001 0.015，z的范围在0.1 0.3。
4.一种权利要求1所述的双垒量子阱结构半导体红外光电探测器的制造方法，其特征在于，它包括以下步骤: (1)、通过优选In(x), N(y),和Al (z)的组分，ww, bwl和bw2的值以及其他一些参数，求解薛定谔方程式(I)，得出导带中每一个能级的能量水平，通过计算电子从基态到激发态能级间跃迁的能量差来换算出对应的光激发波长； (2)、以GaAs为衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积由下至上依次逐层生长的: n型掺杂的GaAs缓冲层； n型掺杂的GaAs下接触层； 双垒结构的多量子阱层核心工作区:以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；n型掺杂的GaAs上接触层； 所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGahAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGai_xASl_yNy势阱层，外势垒层的厚度高于内势垒层及势阱层，所述的多量子阱层的周期为10-20个；
5.一种权利要求1所述的双垒量子阱结构半导体红外光电探测器的制造方法，其特征在于，ww的范围在2 5nm, bwl的范围在I 2nm, bw2的范围在20 30nm ;所述势鱼,势阱高度通过调节In(x)，N(y)，Al(Z)来实现，x的范围在0.1 0.5，y的范围在0.001 0.015，z的范围在0.1 0.3 ;
6.如权利要求4所述的红外光电探测器的制造方法，其特征在于，核心工作区在450 500°C条件下生长，接触区在550 600°C范围条件下生长。
7.如权利要求4或5所述的获得权利要求1所述的半导体双垒量子阱红外探测器的方法，其特征在于所述GaAs缓冲层，接触层进行n型掺杂，所搀杂质为硅，其掺杂浓度在IXlO18Cm-3 ;所述 量子阱层进行n型掺杂，所搀杂质为硅，其掺杂浓度在lX1018cm_3。
全文摘要
一种双垒量子阱结构半导体红外光电探测器及其制造方法，探测器包括电源、金属接触层及核心部件，所述的核心部件包括GaAs衬底层，在所述GaAs衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积由下至上依次逐层生长的n型掺杂的GaAs缓冲层；n型掺杂的GaAs下接触层；双垒结构的多量子阱层核心工作区以最外一层较厚势垒，较薄的内势垒，势阱，内势垒为一周期，依次交替生长多个周期而形成的；n型掺杂的GaAs上接触层；所述的多量子阱层，每一个周期包括一个AlzGa1-zAs外势垒层，两个AlAs势垒层，和一个InxGa1-xAs1-yNy势阱层。本发明优点是可工作于1.31μm左右的光通讯波段，并且具有很强的波长可调性以及更快的响应速度。
文档编号H01L31/0352GK103151418SQ201110404048
公开日2013年6月12日 申请日期2011年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者党宇星, 闫志瑞 申请人:有研半导体材料股份有限公司