專利名稱：紅外探測器及其制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及紅外探測器技術(shù)領域，具體涉及一種抗輻照和抗光盲雙色量子點紅外探測器及其制作方法。
背景技術(shù)：
目前，紅外探測器在紅外夜視、紅外制導、軍事偵察、火災預警、火山和礦藏信息采集、天文學研究及癌癥診斷等方面有很高的應用價值。而雙色紅外探測器，可以根據(jù)觀測目標的特征溫度，選擇最敏感的工作波長，獲取高清晰的紅外輻射信息。當紅外探測器在太空中工作時，將不可避免地受到高能電子、質(zhì)子，a、P、Y射線和X射線的照射，產(chǎn)生輻射損傷，并導致器件性能降低。這些高能粒子輻射與紅外探測器的互相作用主要表現(xiàn)為兩種形式:⑴電離和激發(fā)過程，該過程會對半導體材料的電學性質(zhì)產(chǎn)生瞬間擾動，使紅外探測器產(chǎn)生噪聲信號原子移動過程，該過程可以使半導體材料中的原子發(fā)生位移，形成位錯等缺陷，給紅外探測器造成永久損傷，降低紅外探測器的工作性能，甚至導致器件失效。因而，需要尋求抗輻射的紅外探測器?，F(xiàn)有的紅外探測器中，碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測器和GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器的工作性能達到了很好的水平， 但是前者受到高能粒子轟擊會發(fā)生原子位移，產(chǎn)生很多缺陷，后者不能直接吸收正入射紅外輻射光子，需要制作復雜的表面光柵來增強光耦合。還有一種是量子點紅外探測器，由于半導體量子點中載流子受到三維量子限制作用而處于分立子能級上，引出量子點紅外探測器能夠直接吸收正入射的紅外輻射光子而發(fā)生子能級躍遷，把紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成光電流或者光伏信號；此外，量子點中載流子處于分立子能級的特點使得量子點紅外探測器具有較高的工作溫度。通過改變材料組分和量子點的尺寸可以調(diào)節(jié)II1-V族半導體量子點中的子能級，從而得到工作波長處于中波紅外窗口(3飛ym)和長波紅外窗口或者其它兩個不同波長紅外波段的量子點紅外探測器。我們將兩種不同材料組分和尺寸的量子點組成的量子點有源區(qū)迭加在一起可以實現(xiàn)對兩個波段紅外輻射信號的探測，制備出雙色量子點紅外探測器。由于II1-V族半導體材料具有很高的結(jié)晶質(zhì)量和很強的化學鍵，能夠承受高能粒子輻射而不產(chǎn)生原子位移過程，上述量子點紅外探測器可以解決前述高能粒子輻射產(chǎn)生的第(2)點影響。但是高能電子、質(zhì)子以及a、P、Y射線和X射線的照射仍然會導致II1-V族半導體材料發(fā)生電離和激發(fā)過程，使紅外探測器產(chǎn)生噪聲信號。因而，如果能解決高能粒子輻射造成的紅外探測器噪聲問題，就能獲得一種可適用于太空中工作的紅外探測器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適于在太空環(huán)境下工作的抗輻照和抗可見光致盲的量子點紅外探測器；本發(fā)明的另一目的是提供該抗輻照和抗可見光致盲量子點紅外探測器的制作方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種紅外探測器，包括半絕緣砷化鎵單晶襯底以及依次形成于所述半絕緣砷化鎵單晶襯底上的n+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一 n+中間接觸層、p+公共接觸層、第二 n+中間接觸層、第二量子點有源區(qū)和n+上接觸層，所述的n+下接觸層、第一 n+中間接觸層、P+公共接觸層、第二 n+中間接觸層和n+上接觸層上分別形成有下電極、第一中間電極、公共電極、第二中間電極以及上電極。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層的厚度小于空穴載流子的擴散長度。作為本發(fā)明的進一步改進，所述空穴載流子的擴散長度Lh是工作溫度T的函數(shù)，滿足Lh=LJexp (T/T。)，其中經(jīng)驗常數(shù)1。=60_，特征溫度1；=871(。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的第一量子點有源區(qū)或第二量子點有源區(qū)包括砷化鎵勢壘層和自組織形成的銦鎵砷量子點層。作為本發(fā)明的進一步改進，所述的銦鎵砷(InyGahAs)量子點層中摻雜有硅元素，其中0.3 < y < 1，該量子點超晶格周期數(shù)至少為I。作為本發(fā)明的進一步改進，所述n+下接觸層和n+上接觸層均為p型II1-V族半導體外延層，它們的禁帶寬度分別大于第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層的禁帶寬度，該n+下接觸層和n+上接觸層分別收集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)中的空穴載流子。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層均為半導體材料外延層，該第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層構(gòu)成電子發(fā)射極。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述P+公共接觸層為半導體外延層，其禁帶寬度大于第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層的禁帶寬度，所述的p+公共接觸層分別與第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層形成P-N結(jié)，該p+公共接觸層收集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)產(chǎn)生的空穴載流子。作為本發(fā)明的進一步改進，所述上電極、第一中間電極、公共電極、第二中間電極以及下電極分別接到差分放大電路上，交替地采集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)的電子、空穴載流子及相應的光伏信號。相應地，本發(fā)明還公開了一種上述的紅外探測器的制作方法，包括:在半絕緣砷化鎵單晶襯底上依次生長n+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一 n+中間接觸層、P+公共接觸層、第二 n+中間接觸層、第二量子點有源區(qū)和n+上接觸層，以及在n+下接觸層、第一 n+中間接觸層、P+公共接觸層、第二 n+中間接觸層和n+上接觸層上分別形成有下電極、第一中間電極、公共電極、第二中間電極以及上電極。相應地，本發(fā)明還公開了一種上述的紅外探測器的制作方法，包括:
(1)在半絕緣II1-V族半導體單晶襯底上生長n+下接觸層；
(2)在n+下接觸層上生長第一量子點有源區(qū)，該第一量子點有源區(qū)的生長方法選自過程a或b，其中:
過程a，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后在勢壘層上自組織生長一層高密度的II1-V族半導體量子點作為種子層；在該種子層上生長一薄層II1-V族半導體間隔層之后，再制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
過程b，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
(3)在第一量子點有源區(qū)上生長n型半導體外延層作為第一n+中間接觸層；
(4)在第一n+中間接觸層上生長p型寬禁帶半導體外延層作為P+公共接觸層；
(5)在p+公共接觸層上生長n型半導體外延層作為第二n+中間接觸層；
(6)在第二n+中間接觸層上生長第二量子點有源區(qū)，該第二量子點有源區(qū)的生長方法選自過程①或②，其中:
過程①，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后在勢壘層上自組織生長一層高密度的II1-V族半導體量子點作為種子層；在該種子層上生長一薄層II1-V族半導體間隔層之后，再制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
過程②，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
(7)在第二量子點有源區(qū)上生長n型半導體外延層作為n+上接觸層；
(8)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器的n+上接觸層開始，刻蝕到襯底，形成獨立的抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器單元；
(9)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到N+下接觸層，形成·下電極臺面；
(10)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到第一 n+中間接觸層，形成第一中間電極臺面；
(11)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到n+公共接觸層，形成公共電極臺面；
(12)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到第二 n+中間接觸層，形成公共電極臺面；
(13)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的公共電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積P型電極材料并剝離多余的P型電極材料，形成公共電極；
(14)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的下電極圖形、第一中間電極圖形、第二中間電極圖形和上電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的公共電極及其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積n型電極材料并剝削多余的n型電極材料，形成下電極、第一中間電極、第二中間電極和上電極；
(15)在快速熱退火爐中對p型電極材料和n型電極材料進行合金處理。由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點:
1.本發(fā)明將兩個具有P+公共接觸層的P-N-N結(jié)構(gòu)量子點紅外探測器疊加，它不僅能夠直接吸收正入射的紅外輻射光子，而且具有雙色探測、抗光盲和抗輻照功能。2.本發(fā)明結(jié)合了量子點紅外探測器可以直接吸收正入射紅外輻射光子、工作溫度高的優(yōu)點，增加了 P+公共接觸層和公共電極，通過和差分放大電路互連即可實現(xiàn)抗輻射和抗光盲功能，結(jié)構(gòu)簡單，特別適合于在外太空工作。


為了更清楚地說明本申請實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發(fā)明具體實施例中制備的材料結(jié)構(gòu)示意 圖2是具體實施例中各個電極臺面示意 圖3是具體實施例中電極圖形的俯視意 圖4是具體實施例中獲得的抗輻照和抗光盲雙色量子點紅外探測器單元管芯的截面圖。
具體實施例方式本發(fā)明的總體構(gòu)思是，高能電子、質(zhì)子以及a、P、Y射線和X射線的照射會導致II1-V族半導體材料發(fā)生電離和激發(fā)過程，即半導體材料中的電子在高能量光子照射下發(fā)生帶間躍遷，產(chǎn)生數(shù)目相等的電子和空穴載流子，形成測量噪聲。由于這種干擾中，電子和空穴載流子是成對出現(xiàn)的，如果能把量子點紅外探測器產(chǎn)生地電子電流和空穴電流分別測量出來，從總的電子電流中扣除空穴電流，就能獲得量子點紅外探測器吸收紅外輻射光子產(chǎn)生的光電流，從而剝削、甚至消除了高能粒子照射引起的電離和激發(fā)過程對量子點紅外探測器的干擾。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種抗輻射和抗光盲量子點紅外探測器，包括襯底、用于 探測第一紅外波長區(qū)間的第二量子點探測器結(jié)構(gòu)、用于探測器第二紅外波長區(qū)間的第二量子點探測結(jié)構(gòu)，所述襯底為半絕緣II1-V族半導體單晶襯底，所述第一量子點探測結(jié)構(gòu)主要由N+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一 N+中間接觸層構(gòu)成，所述第二量子點探測器結(jié)構(gòu)主要由第二 N+中間接觸層、第二量子點有源區(qū)、N+上接觸層結(jié)構(gòu)，各接觸層上設有對應的引出電極，在所述第一量子點探測器結(jié)構(gòu)和第二量子點探測器結(jié)構(gòu)之間，設置有P+公共接觸層，所述P+公共接觸層設有公共電極，所述各層依次疊合連接構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)。上述技術(shù)方案提供了一種N-N-P-N-N結(jié)構(gòu)抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器，由兩個N-N型量子點紅外探測器構(gòu)成了雙色量子點紅外探測器，能夠直接吸收兩個波段的正入射紅外輻射光子；同時，在兩個量子點紅外探測器之間插入P+公共接觸層，用于收集兩個量子點紅外探測器產(chǎn)生的空穴載流子，N+接觸層上和P+接觸層形成P-N異質(zhì)結(jié)，使每個N-N型量子點紅外探測器變?yōu)榫哂锌馆椛浜涂构饷すδ艿腘-N-P型和P-N-N型量子點紅外探測器。使用時，五個電極和差分放大電路互連，分別收集兩個量子點紅外探測器產(chǎn)生的電子電流和空穴電流。三端結(jié)構(gòu)器件，同時，兩個量子點紅外探測器合用一個N+公共接觸層。兩個量子點紅外探測器交替工作，分別從上電極或下電極收集的電子電流扣除公共電極收集的空穴電流，就是相應的量子點紅外探測器吸收紅外輻射光子產(chǎn)生的光電流。由此削弱、甚至消除了高能粒子和高能射線照射引起的噪聲信號。上述技術(shù)方案中，所述N+下接觸層為生長在半絕緣單晶襯底上的N型II1-V族半導體外延層。所述第一量子點有源區(qū)是II1-V族半導體勢壘層和量子點交疊形成的量子點超晶格結(jié)構(gòu)，量子點夾層在半導體勢壘層中或者生長在高密度量子點種子層上，其中量子點超晶格的周期至少為I。所述第二量子點有源區(qū)是II1-V族半導體勢壘層和量子點交疊形成的量子點超晶格結(jié)構(gòu)，量子點夾層在半導體勢壘層中或者生長在高密度量子點種子層上，其中量子點超晶格的周期至少為I。所述第一 N+中間接觸層和第二 N+中間接觸層均為N型半導體材料外延層，該第
一N+中間接觸層和第二 N+中間接觸層構(gòu)成電子發(fā)射極。上述技術(shù)方案中，所述P+公共接觸層為P型半導體外延層，其禁帶寬度大于第一N+中間接觸層和第二 N+中間接觸層的禁帶寬度。 上述技術(shù)方案中，所述P+公共接觸層分別與第一 N+中間接觸層和第二 N+中間接觸層形成P-N結(jié)，該P+公共接觸層分別收集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)中的空穴載流子。上述技術(shù)方案中，所述引出電極包括上電極、第一中間電極、公共電極以及下電極，各引出電極分別呈中空圖形結(jié)構(gòu)，使紅外輻射光束正入射進入探測器中。上述技術(shù)方案中，所述下電極、第一中間電極、公共電極以及上電極、第二中間電極和公共電極分別接到差分放大電路上，交替地采集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)的電子、空穴載流子及相應的光伏信號。上述技術(shù)方案在實 際應用時，可以制作成單元管芯、線列型或焦平面陣列型探測器。本發(fā)明的抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器，其制作方法包含如下步驟:
(1)在半絕緣II1-V族半導體單晶襯底上生長n+下接觸層；
(2)在n+下接觸層上生長第一量子點有源區(qū)，該第一量子點有源區(qū)的生長方法選自過程a或b，其中:
過程a，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后在勢壘層上自組織生長一層高密度的II1-V族半導體量子點作為種子層；在該種子層上生長一薄層II1-V族半導體間隔層之后，再制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
過程b，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
(3)在第一量子點有源區(qū)上生長n型半導體外延層作為第一n+中間接觸層；
(4)在第一n+中間接觸層上生長p型寬禁帶半導體外延層作為P+公共接觸層；
(5)在p+公共接觸層上生長n型半導體外延層作為第二n+中間接觸層；
(6)在第二n+中間接觸層上生長第二量子點有源區(qū)，該第二量子點有源區(qū)的生長方法選自過程①或②，其中:
過程①，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后在勢壘層上自組織生長一層高密度的II1-V族半導體量子點作為種子層；在該種子層上生長一薄層II1-V族半導體間隔層之后，再制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
過程②，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層；
(7)在第二量子點有源區(qū)上生長n型半導體外延層作為n+上接觸層；
(8)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器的n+上接觸層開始，刻蝕到襯底，形成獨立的抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器單元；
(9)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到N+下接觸層，形成下電極臺面；
(10)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到第一 n+中間接觸層，形成第一中間電極臺面； (11)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到n+公共接觸層，形成公共電極臺面；
(12)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到第二 n+中間接觸層，形成公共電極臺面；
(13)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的公共電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積P型電極材料并剝離多余的P型電極材料，形成公共電極；
(14)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的下電極圖形、第一中間電極圖形、第二中間電極圖形和上電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的公共電極及其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積n型電極材料并剝削多余的n型電極材料，形成下電極、第一中間電極、第二中間電極和上電極；
(15)在快速熱退火爐中對p型電極材料和n型電極材料進行合金處理。上述技術(shù)方案中，所述N+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一 N+中間接觸層、P+公共接觸層、第二量子點有源區(qū)、第二 N+中間接觸層和N+上接觸層分別采用分子束外延方法或者金屬有機物化學氣相沉積方法連續(xù)生長制備而成。所述P+公共接觸層是重摻雜受主元素的II1-V族半導體外延層，它作為空穴載流子的收集極；所述N+下接觸層、第一 N+中間接觸層、第二 N+中間接觸層和N+上接觸層都是重摻雜施主元素的II1-V族半導體外延層；第一 N+中間接觸層和第二 N+中間接觸層作為電子發(fā)射極，N+下接觸層和N+上接觸層作為電子收集極；所述第一 N+中間接觸層和第
二N+中間接觸層的厚度小于空穴載流子的擴散長度。采用較厚的N+下接觸層不僅收集空穴載流子，而且能夠消除探測器與襯底之間的界面缺陷。其中，第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)中半導體勢壘層的禁帶寬度大于半導體量子點層的禁帶寬度，兩種量子點超晶格中不同周期的量子點層中宜采用濃度梯度漸變模式摻雜施主元素。如果第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)中引入量子點種子層，該量子點種子層應該具有高密度和寬禁帶特征，而且半導體間隔層的厚度要適當，既保證半導體量子點層和量子點種子層發(fā)生應變耦合，又要避免兩者相互混融。下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行詳細的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。參見附圖4所示，一種N-N-P-N-N結(jié)構(gòu)的抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器，包括:襯底l、n+下接觸層2、第一量子點有源區(qū)3、第一 N+中間接觸層8、P+公共接觸層9、第二 N+中間接觸層10、第二量子點有源區(qū)11、N+上接觸層16、下電極17、第一 N中間電極18、公共電極19、第二中間電極20和上電極21，其中:
所述的襯底I為半絕緣GaAs單晶襯底，作為量子點紅外探測器的載體；所述N+下接觸層2是制作在襯底上的1.0iim厚的N型GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.f 2.0)*1018cm_3，作為第一量子點有源區(qū)3的電子收集極。所述的第一量子點有源區(qū)3制作在n+下接觸層2上。該第一量子點有源區(qū)3是由50nm的GaAS勢魚層4, 2nm的Ina5Ala5As量子點種子層5, IOnm的GaAs間隔層6和4nm的Ina4Gaa6As量子點層7交疊形成10周期量子點超晶格，最后覆蓋50nm厚的GaAs勢壘層
4。該量子點超晶格的Ina4Gaa6As量子點層7中Si元素摻雜濃度自上而下從2.0*1018cm_3漸變至1.0*1017cm_3，它吸收波長在8 14 y m大氣窗口中的紅外輻射光子。所述的第一 N+中間接觸層8是厚度為10(Tl45nm的N+型GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.r2.0) *1018cnT3,它制作在第一量子點有源區(qū)3上,作為第一量子點有源區(qū)3的電子發(fā)射極。所述的P+上接觸層9是厚度為300nm的P+型Alci 2Gatl 8As外延層，其中Be元素摻雜濃度為(0.r2.0)*1019cm_3，它制作在第一 N+中間接觸層8上，起到收集第一量子點有源區(qū)3和第二量子點有源區(qū)11中的空穴載流子的作用。所述的第二 N+中間 接觸層10是厚度為10(Tl45nm的N+型GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.r2.0)*1018cnT3,它制作在P+公共接觸層9上,作為第二量子點有源區(qū)11的電子發(fā)射極。所述的第二量子點有源區(qū)11制作在N+公共接觸層10上。該第二量子點有源區(qū)11是由50nm的GaAs勢魚層12, 2nm的InAlAs量子點種子層13, IOnm的GaAs間隔層14和2nm的Ina5Gaa5As量子點層15交疊形成10周期量子點超晶格結(jié)構(gòu)。最后覆蓋50nm的GaAs勢魚層12。該量子點超晶格的Ina5Gaa5As量子點層15中Si元素摻雜濃度自下而上從2.0^lO1W3漸變至1.0*1017cnT3，它吸收波長在3飛y m大氣窗口中的紅外輻射光子。所述的N+上接觸層是厚度為300nm的N+型GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.f2.0)*1018cm_3，它制作在第二量子點有源區(qū)11上，作為電子收集極。所述的下電極17是Au/Ge/Ni/Au合金層，它制作在N+下接觸層2上。所述的第一 N中間電極18是Au/Ge/Ni/Au合金層，它制作在第一 N+中間接觸層8上。所述的公共電極19是Ti/Pt/Au合金層，它制作在P+中間接觸層9上。所述的第二 N中間電極20是Au/Ge/Ni/Au合金層，它制作在第二 N+中間接觸層10上。所述的上電極21是Ti/Pt/Au合金層，它制作在N+上接觸層16上。其中下電極17、第一 N中間電極18、公共電極19、第二 N中間電極20以及上電極21都呈方框形，允許紅外輻射光束正入射進入量子點紅外探測器中。將下電極17、第一N中間電極18、公共電極19、以及P上電極21、第二中間電極20和公共電極19分別同時連接到差分放大電路上，即可交替地采集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)中的電子、空穴載流子及相應的光伏信號。本實施例N-N-P-N-N結(jié)構(gòu)抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器的制作方法，包括材料生長、光刻和干法刻蝕以及電極制作等過程。參見附圖1所示，材料生長過程是利用分子束外延方法完成的，包含如下步驟:
(1)在半絕緣GaAs單晶襯底I上生長厚度為1.0 ii m的N+型GaAs外延層作為N+下接觸層2，其中Si元素摻雜濃度為(0.1 2.0) *1018Cm_3。該N+型GaAs外延層的生長溫度為580 0C ；
(2)將生長溫度保持在500°C，在N+下接觸層2上生長第一量子點有源區(qū)3。該第一量子點有源區(qū)3的生長過程是:
首先生長一層50nm的GaAs勢魚層4,然后自組織生長一層2nm的Ina5Ala5As量子點種子層5 ;在該種子層5上生長一層IOnm的GaAs間隔層6之后，再制備4nm的Ina4Ga0.6As量子點層7。這四個過程的重復周期為10。最后再生長一層50nm厚的GaAs勢壘層4。該量子點超晶格 的Ina5Gaa5As量子點層15中Si元素摻雜濃度自上而下從2.0*1018cnT3漸變至 1.0*1017cnT3 ；
(3)在第一量子點有源區(qū)3上生長厚度為10(Tl45nm的N+GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.r2.0) *1018cm_3，作為第一 N+中間接觸8 ；
(4)在第一量子點有源區(qū)8上生長厚度為300nm的P型Ala2Gaa8As外延層，其中Be元素摻雜濃度為(0.r2.0) *1019cnT3,作為P+公共接觸層9 ；
(5)在P+公共接觸層9上生長厚度為10(Tl45nm的N+GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.1 2.0)*1018cnT3，作為第二 N+中間接觸10 ；
(6)在N+公共接觸層10上生長第二量子點有源區(qū)11。該第二量子點有源區(qū)的生長過程是:
首先生長一層50nm的GaAs勢魚層12,然后自組織生長一層2nm的Ina5Ala5As量子點種子層13 ;在該種子層13上生長一層IOnm的GaAs間隔層14之后，再制備2nm的Ina5Gaa5As量子點層15。這四個過程的重復周期為10。最后再生長一層50nm厚的GaAs勢魚層12。該量子點超晶格的Ina5Gaa5As量子點層15中Si元素摻雜濃度自上而下從
2.0*1018cnT3 漸變至 1.0*1017cnT3 ；
(7)在第二量子點有源區(qū)11上生長厚度為300nm的N+GaAs外延層，其中Si元素摻雜濃度為(0.1 2.0) *1018Cm_3，作為N+上接觸層16。參見圖2，光刻和干法刻蝕技術(shù)過程包含如下步驟:
(8)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器的N+上接觸層16開始，刻蝕到襯底1，形成獨立的抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器單元；
(9)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的N+上接觸層16開始，刻蝕到N+下接觸層2，形成下電極臺面；
(10)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的N+上接觸層16開始，刻蝕到第一 N+中間接觸層8，形成第一 N中間電極臺面；
(11)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的N+上接觸層16開始，刻蝕到P+公共接觸層9，形成公共電極臺面；(12)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的P+上接觸層16開始，刻蝕到第二 N+中間接觸層10，形成第二中間電極臺面；
參閱圖3和圖4，電極制作過程包含如下步驟:
(13)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的公共電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積Ti/Pt/Au電極材料并剝離多余的Ti/Pt/Au電極材料,形成Ti/Pt/Au公共電極19 ；
(14)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的第一N中間電極圖形、公共電極圖形和第二 N中間電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的P上電極、P下電極及其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積Au/Ge/Ni/Au電極材料并剝削多余的Au/Ge/Ni/Au電極材料，形成下電極17、第一 N中間電極18、第二中間電極20和上電極21 ；
(15)在快速熱退火爐中對Ti/Pt/Au電極材料和Au/Ge/Ni/Au電極材料進行合金處理。本實施提供了一種N-N-P-N-N結(jié)構(gòu)抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器，它既具有量子點紅外探測器的優(yōu)點，又具有雙色探測功能和抗輻射和抗光盲特性。首先，由于半導體量子點中載流子受到三維量子限制作用而處于分立子能級上，因此量子點紅外探測器能夠直接吸收正入射的紅外輻射光子而發(fā)生子能級躍遷，不用制作表面光柵來增強紅外輻射光子與探測器有源區(qū)的光耦合；其次，通過改變材料組分和量子點尺寸將紅外探測器的工作波長調(diào)節(jié)到中波紅外窗口(3飛ym)和長波紅外窗口波段或者其它兩個不同紅外波段，從而實現(xiàn)雙色量子點紅外探測器；最后，本發(fā)明采用兩個P-N-N結(jié)構(gòu)量子點紅外探測器疊加在一起，共用一個P+公共接觸層。這兩個光伏型量子點紅外探測器交替地工作，其中光生電子電流和光生空穴電流的增益均為1，即帶間躍遷產(chǎn)生的電子電流和空穴電流完全相等。把兩個探測器的三個電極和差分放大電路互連，可以分別測量出高能電子、質(zhì)子和a、P、Y射線和X射線輻照在紅外探測器中引發(fā)的電子電流和空穴電流。根據(jù)差分放大電路從上電極或下電極獲取的電子電流值減去從公共電極獲取的空穴電流值即可得到相應量子點紅外探測器中紅外輻射引起的光電流值及對應的光伏信號。這樣的兩個P-N-N結(jié)構(gòu)光伏型量子點紅外探測器有效地消除了高能粒子和射線在量子點紅外探測器中引發(fā)的噪聲信號。該量子點紅外探測器具有抗輻射和抗光盲功能，適用于太空環(huán)境中工作。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請的具體實施方式
，應當指出，對于本技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本申請原 理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本申請的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種紅外探測器，其特征在于:包括半絕緣砷化鎵單晶襯底以及依次形成于所述半絕緣砷化鎵單晶襯底上的n+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一 n+中間接觸層、p+公共接觸層、第二 n+中間接觸層、第二量子點有源區(qū)和n+上接觸層，所述的n+下接觸層、第一 n+中間接觸層、P+公共接觸層、第二 n+中間接觸層和n+上接觸層上分別形成有下電極、第一中間電極、公共電極、第二中間電極以及上電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外探測器，其特征在于:所述的第一n+中間接觸層和第二n+中間接觸層的厚度小于空穴載流子的擴散長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其特征在于:所述空穴載流子的擴散長度Lh是工作溫度T的函數(shù)，滿足Lh=LJexp (T/T。)，其中經(jīng)驗常數(shù)1。=60_，特征溫度1；=871(。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其特征在于:所述的第一量子點有源區(qū)或第二量子點有源區(qū)包括砷化鎵勢壘層和自組織形成的銦鎵砷量子點層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的紅外探測器，其特征在于:所述的銦鎵砷(InyGahAs)量子點層中摻雜有硅元素，其中0.3 < y < 1，該量子點超晶格周期數(shù)至少為I。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其特征在于:所述n+下接觸層和n+上接觸層均為p型II1-V族半導體外延層，它們的禁帶寬度分別大于第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層的禁帶寬度，該n+下接觸層和n+上接觸層分別收集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)中的空穴載流子。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其特征在于:所述第一n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層均為半導體材料外延層，該第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層構(gòu)成電子發(fā)射極。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其特征在于:所述p+公共接觸層為半導體外延層，其禁帶寬度大于 第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層的禁帶寬度，所述的p+公共接觸層分別與第一 n+中間接觸層和第二 n+中間接觸層形成P-N結(jié)，該p+公共接觸層收集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)產(chǎn)生的空穴載流子。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外探測器，其特征在于:所述上電極、第一中間電極、公共電極、第二中間電極以及下電極分別接到差分放大電路上，交替地采集第一量子點有源區(qū)和第二量子點有源區(qū)的電子、空穴載流子及相應的光伏信號。
10.一種權(quán)利要求1至9任一所述的紅外探測器的制作方法，其特征在于，包括:在半絕緣砷化鎵單晶襯底上依次生長n+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一 n+中間接觸層、p+公共接觸層、第二 n+中間接觸層、第二量子點有源區(qū)和n+上接觸層，以及在n+下接觸層、第一 n+中間接觸層、p+公共接觸層、第二 n+中間接觸層和n+上接觸層上分別形成有下電極、第一中間電極、公共電極、第二中間電極以及上電極。
11.一種權(quán)利要求1至9任一所述的紅外探測器的制作方法，其特征在于，包括: (1)在半絕緣II1-V族半導體單晶襯底上生長n+下接觸層； (2)在n+下接觸層上生長第一量子點有源區(qū)，該第一量子點有源區(qū)的生長方法選自過程a或b，其中: 過程a，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后在勢壘層上自組織生長一層高密度的II1-V族半導體量子點作為種子層；在該種子層上生長一薄層II1-V族半導體間隔層之后，再制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層； 過程b，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層； (3)在第一量子點有源區(qū)上生長n型半導體外延層作為第一n+中間接觸層； (4)在第一n+中間接觸層上生長p型寬禁帶半導體外延層作為P+公共接觸層； (5)在p+公共接觸層上生長n型半導體外延層作為第二n+中間接觸層； (6)在第二n+中間接觸層上生長第二量子點有源區(qū)，該第二量子點有源區(qū)的生長方法選自過程①或②，其中: 過程①，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后在勢壘層上自組織生長一層高密度的II1-V族半導體量子點作為種子層；在該種子層上生長一薄層II1-V族半導體間隔層之后，再制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層； 過程②，首先生長一層II1-V族半導體勢壘層，然后制備II1-V族半導體量子點層；上述過程的重復周期至少為I次，最后再生長一層II1-V族半導體勢壘層； (7)在第二量子點有源區(qū)上生長n型半導體外延層作為n+上接觸層； (8)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器的n+上接觸層開始，刻蝕到襯底，形成獨立的抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器單元； (9)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到N+下接觸層，形成下電極臺面；· (10)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到第一 n+中間接觸層，形成第一中間電極臺面； (11)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到n+公共接觸層，形成公共電極臺面； (12)利用光刻和干法刻蝕技術(shù)，從量子點紅外探測器單元的n+上接觸層開始，刻蝕到第二 n+中間接觸層，形成公共電極臺面； (13)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的公共電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積P型電極材料并剝離多余的P型電極材料，形成公共電極； (14)利用光刻技術(shù)暴露出量子點紅外探測器單元的下電極圖形、第一中間電極圖形、第二中間電極圖形和上電極圖形，并利用光刻膠保護好探測器單元的公共電極及其它區(qū)域；然后在探測器單元上沉積n型電極材料并剝削多余的n型電極材料，形成下電極、第一中間電極、第二中間電極和上電極； (15)在快速熱退火爐中對p型電極材料和n型電極材料進行合金處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種抗輻射和抗光盲雙色量子點紅外探測器，包括襯底、第一量子點探測結(jié)構(gòu)、第二量子點探測結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一量子點探測結(jié)構(gòu)主要由N+下接觸層、第一量子點有源區(qū)、第一N+中間接觸層構(gòu)成，所述第二量子點探測器結(jié)構(gòu)主要由第二N+中間接觸層、第二量子點有源區(qū)、N+上接觸層結(jié)構(gòu)，各接觸層上設有對應的引出電極，其特征在于在所述第一量子點探測器結(jié)構(gòu)和第二量子點探測器結(jié)構(gòu)之間，設置有P+公共接觸層，所述P+公共接觸層設有公共電極，所述各層依次疊合連接構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)。該探測器的五個電極和差分放大電路互連，分別測量兩個量子點紅外探測器產(chǎn)生的電子電流和空穴電流，具有雙色探測、抗光盲和抗輻照功能。
文檔編號H01L31/0352GK103247637SQ20131015295
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者任昕, 楊曉杰, 邊歷峰, 任雪勇 申請人:中國科學院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所