CN100524841C - GaAs/AlGaAs/InGaAs双色焦平面探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GaAs/AlGaAs/InGaAs双色量子阱红外焦平面探测器，该器件采用GaAs基材料，交替生长AlGaAs势垒/GaAs量子阱/AlGaAs势垒/InGaAs量子阱/AlGaAs势垒，利用GaAs量子阱中的子带间跃迁形成长波波段的探测，利用InGaAs量子阱中的子带间跃迁形成中波波段的探测。对长波探测的GaAs量子阱，AlGaAs/InGaAs/AlGaAs层构成GaAs量子阱的势垒；对中波探测的InGaAs量子阱，AlGaAs/GaAs/AlGaAs层又构成了InGaAs量子阱的势垒，并且使AlGaAs/InGaAs/AlGaAs层的总厚度和AlGaAs/GaAs/AlGaAs层的总厚度为常规量子阱红外探测器中的一个势垒厚度，除掉了由于厚度增加使得器件的光电耦合效率下降的因素。在光电耦合方式中采用优化的二维双周期衍射光栅，在光栅刻蚀工艺中采用难度较小的浅深度刻蚀法。

Description

GaAs/AlGaAs/InGaAs双色焦平面探测器

技术领域

本发明涉及GaAs/AlGaAs/InGaAs双色集成焦平面列阵探测器，具体是指n型GaAs/AlGaAs/InGaAs中长波双色集成量子阱红外焦平面探测器。

背景技术

当代几乎所有的红外探测技术都是向获取更多目标信息的方向发展。如果一个红外热成像***能同时在两个或者两个以上的波段获取目标信息，就可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，就可在预警，搜索和跟踪***中降低虚警率，提高器件***的性能和在各武器平台上的通用性。在最近的二十年里，随着低维材料的迅猛发展，量子阱红外焦平面探测器的实验室研究和商业开发十分活跃。比起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、对于量子阱焦平面列阵探测器而言，这些优点表现的更为明显。目前，普遍看好的是GaAs/AlGaAs多量子阱探测器在长波波段(8～12μm)和InGaAs/AlGaAs多量子阱探测器在中波波段(3～5μm)应用方面有着相当的前途。双波段探测器焦平面既受到单波段器件发展水平和对两波段热像***需求的限制，又有自身从其器件制备到***应用(包括读出电路)等多方面的困难，因此总体发展水平远低于单波段同类型的探测器。

已有的中长波双色量子阱红外焦平面探测器的结构是采用两套单波段响应材料叠加组合，这种结构的探测器需要三个电极层：发射极层，中间电极层和集电极层，特别是中间电极层，在器件材料生长中及器件工艺中有效控制难度大。

对于n型双色集成量子阱红外焦平面探测器，由于正入射禁戒原因必须采用衍射光栅结构，而由光栅形成的器件光耦合效率会由于近场效应而随着离开光栅台面距离的增大而减小，所以上述的双阱结构中，远离光栅层的量子阱结构的光耦合效率会很低。如果此时对衍射光栅采用深度刻蚀，工艺难度将大大提高，一般的常规工艺难以做到，目前能够做这样深度刻蚀的实验室在国际上也仅有2—3家而已。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以克服上述探测器结构上存在的缺点及制备工艺难度的n型GaAs/AlGaAs/InGaAs中长波双色集成量子阱红外焦平面探测器。

本发明的技术方案是：采用GaAs基材料，交替生长AlGaAs势垒/GaAs量子阱/AlGaAs势垒/InGaAs量子阱/AlGaAs势垒，利用GaAs量子阱中的子带间跃迁形成长波波段的探测，利用InGaAs量子阱中的子带间跃迁形成中波波段的探测。对双色集成量子阱探测器焦平面中的长波探测的GaAs量子阱，AlGaAs/InGaAs/AlGaAs层构成GaAs量子阱的势垒；对中波探测的InGaAs量子阱，AlGaAs/GaAs/AlGaAs层又构成了InGaAs量子阱的势垒，并且使AlGaAs/InGaAs/AlGaAs层的总厚度和AlGaAs/GaAs/AlGaAs层的总厚度为常规量子阱红外探测器中的一个势垒厚度，以达到跟常规量子阱红外探测器一致水平的暗电流，这样本发明的双色集成量子阱器件总厚度没有增加，除掉了由于厚度增加使得器件的光电耦合效率下降的因素。在光电耦合方式中采用优化的衍射光栅，在光栅刻蚀工艺中采用难度较小的浅深度刻蚀法。

本发明的器件包括：GaAs衬底，在GaAs衬底上置有多量子阱外延薄膜，通过常规的器件芯片制备工艺在外延薄膜上形成的光敏元列阵；

所说的多量子阱外延薄膜是通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长的：

n型掺杂的GaAs下电极层；

10个周期的多量子阱层；

Al_xGa_1-xAs势垒层，其中x＝0.23～0.27；

n型掺杂的GaAs上电极层；

其中10周期的多量子阱层，每个周期依次为45～55nm厚的Al_xGa_1-xAs势垒层，4.5～5.5nm厚的GaAs量子阱层，45～55nm厚的Al_xGa_1-xAs势垒层，2.5～3.5nm厚的In_yGa_1-yAs量子阱层；

组分：x＝0.23～0.27，y＝0.28～0.32；

量子阱层的掺杂浓度为2.0～3.0×10¹⁷cm^-3；

所说的双色焦平面探测器按自下而上顺序由GaAs衬底、n型掺杂的GaAs下电极层、10个周期的多量子阱层、Al_xGa_1-xAs势垒层、n型掺杂的GaAs上电极层以及光敏元阵列构成，其中通过刻蚀形成的响应中波的一维衍射光栅和响应长波的一维衍射光栅安置在光敏元上，分别构成响应中波光敏元和响应长波光敏元，响应中波光敏元和响应长波光敏元交叉排列构成光敏元阵列。

所说的一维衍射光栅，响应长波的一维衍射光栅的周期为2.0μm～3.0μm，对应的刻蚀深度为0.50～0.73μm，占空比为1/2；响应中波的一维衍射光栅的周期为1.25～1.45μm，对应的刻蚀深度1为0.30～0.36μm，占空比为1/2。

本发明器件基于的工作原理是：

当垂直入射的红外光经过响应长波的一维衍射光栅衍射后，入射光为长波红外辐射，产生垂直于材料生长方向的有效电场分量，由此形成了入射光子跟GaAs量子阱中的电子耦合，形成长波波段的光生载流子；当垂直入射的红外光经过响应中波的一维衍射光栅衍射后，入射光为中波红外辐射，入射光子主要跟InGaAs量子阱的电子作用，形成中波波段的光生载流子。电子从基态激发到连续态，在统一的外加电场下，形成可被读出的光电流信号。

本发明的器件具有以下特征及优点：

1.传统结构的双色集成量子阱探测器需要三个电极层：发射极层(上电极层)，中间电极层及集电极层(下电极层)，特别是中间电极层，在器件材料生长中及器件工艺中有效控制难度大，而本发明的双色集成量子阱红外探测器的材料结构比较简单，不需要传统结构中的中间电极层，从而使得单色量子阱器件工艺可直接应用于本发明的双色量子阱探测器。

2.由量子力学及量子限制效应可知，对于本发明的双色集成量子阱中的长波探测的GaAs量子阱，AlGaAs/InGaAs/AlGaAs层构成GaAs量子阱的势垒；对中波探测的InGaAs量子阱，AlGaAs/GaAs/AlGaAs层又构成InGaAs量子阱的势垒，为此要抑制器件的暗电流，只要让AlGaAs/InGaAs/AlGaAs层的总厚度和AlGaAs/GaAs/AlGaAs层的总厚度为常规量子阱红外探测器中的一个势垒厚度即可，这样本发明的双色集成量子阱中的长波探测相对传统结构的双色集成量子阱探测器其总厚度没有增加，由于厚度因素使得器件的光电耦合效率下降的原因不存在了。

3.器件的双色探测，针对中波和长波在光敏元上刻蚀不同周期与深度的光栅即可，在光栅刻蚀中无需做工艺难度很大的深度刻蚀。

4.在器件的具体使用中，对于一定的探测波段，传统结构的中长波双色量子阱探测器需要调节外工作电路以获得最佳的输出信号，当探测波段改变时，其外工作电路需要重新调节；本发明的双色集成量子阱红外探测器只需施加一种偏置电压，外工作电路不需要反复调节。

5.传统双色集成量子阱探测器的两种量子阱结构的光敏元的阻抗差异很大，对读出电路提出了很大的难度。本发明的双色集成量子阱红外探测器不存在光敏元阻抗差异的问题，对读出电路的要求大大更降低。读出电路要求的降低将极大提高本发明的中长波双色集成量子阱红外探测器的竞争力。

附图说明

图1为传统结构的双色量子阱焦平面探测器在一定偏置电压下的导带能带结构示意图。

图2为本发明的双色量子阱焦平面探测器在一定偏置电压下的导带能带结构示意图。

图3为本发明的双色量子阱焦平面探测器中的单光敏元剖面结构示意图，a图为响应长波的单元剖面结构示意图，b图为响应中波的单元剖面结构示意图。

图4为本发明的双色量子阱焦平面探测器的平面结构示意图。

图5为本发明的的双色量子阱红外焦平面探测器在77K工作温度和2伏特偏压下的光电流谱。

具体实施方式

下面以峰值探测波长在4.5μm附近的中波红外波段和9.3μm附近的长波红外波段双色集成量子阱红外焦平面探测器为例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

首先，在GaAs衬底1上通过分子束外延或金属有机化学汽相沉积依次逐层生长：n型掺杂，掺杂浓度为2.5×10¹⁷cm^-3的GaAs下电极层2；10个周期的多量子阱层3；50nm的Al_xGa_1-xAs(x＝0.25)势垒层4；n型掺杂的GaAs，掺杂浓度2.5×10¹⁷cm^-3上电极层5；

所说的10个周期的多量子阱层3，每个周期包括1个50nm的Al_xGa_1-xAs(x＝0.25)势垒层301，1个5nm的GaAs量子阱层302，一个50nm的Al_xGa_1-xAs(x＝0.25)势垒层303，1个3.0nm的In_yGa_1-yAs(y＝0.3)量子阱层304。量子阱层的掺杂浓度为2.5×10¹⁷cm^-3。

然后，通过常规的半导体器件制备工艺在多量子阱外延薄膜上形成光敏元列阵，再通过刻蚀形成交叉排列的响应中波和长波一维的衍射光栅，由此而构成交叉排列的响应中波光敏元6和响应长波光敏元7。

响应中波光敏元6上一维的衍射光栅601其宽度为1.37μm，对应的刻蚀深度为0.34μm，占空比为1/2；响应长波光敏元上的一维衍射光栅701其宽度为2.83μm，对应的刻蚀深度为0.7μm，占空比为1/2。

器件具体应用中首先将器件工作温度降低到77K，调节工作电压到2伏特。

Claims (2)

1.一种GaAs/AlGaAs/InGaAs双色焦平面探测器，包括GaAs衬底(1)，在GaAs衬底上置有多量子阱外延薄膜，通过常规的器件芯片制备工艺在外延薄膜上形成的光敏元列阵；其特征在于：

A.所说的双色焦平面探测器按自下而上顺序由GaAs衬底(1)、n型掺杂的GaAs下电极层(2)、10个周期的多量子阱层(3)、Al_xGa_1-xAs势垒层(4)、n型掺杂的GaAs上电极层(5)以及光敏元阵列构成，其中通过刻蚀形成的响应中波的一维衍射光栅(601)和响应长波的一维衍射光栅(701)安置在光敏元上，分别构成响应中波光敏元(6)和响应长波光敏元(7)，响应中波光敏元(6)和响应长波光敏元(7)交叉排列构成光敏元阵列；其特征在于：所说的Al_xGa_1-xAs势垒层(4)中组分：x＝0.23～0.27；

B.所说的10个周期的多量子阱层(3)的每个周期依次为45～55nm厚的Al_xGa_1-xAs势垒层(301)，4.5～5.5nm厚的GaAs量子阱层(302)，45～55nm厚的Al_xGa_1-xAs势垒层(303)，2.5～3.5nm厚的In_yGa_1-yAs量子阱层(304)；组分：x＝0.23～0.27，y＝0.28～0.32；量子阱层的掺杂浓度为2.0～3.0×10¹⁷cm^-3。

2.根据权利要求1的一种GaAs/AlGaAs/InGaAs双色焦平面探测器，其特征在于：所说的响应长波的一维衍射光栅(701)的周期为2.0μm～3.0μm，对应的刻蚀深度为0.50～0.73μm，占空比为1/2；响应中波的一维衍射光栅(601)的周期为1.25～1.45μm，对应的刻蚀深度为0.30～0.36μm，占空比为1/2。

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