本專利涉及一種量子阱紅外探測器，具體涉及一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器。

背景技術(shù)：

在目前的量子型紅外焦平面技術(shù)中，光敏元芯片都是由若干光導(dǎo)型的空間上電學(xué)與光學(xué)分立的探測器像元組成。相比于碲鎘汞探測器，量子阱紅外探測器具有材料生長和工藝成熟、大面積陣列均勻性好、成品率高、成本低的優(yōu)點，但量子效率較低，以至于響應(yīng)率較低，所以對于量子效率與響應(yīng)率的優(yōu)化尤為重要。

量子阱紅外探測器的基本原理決定了器件的量子效率正比于吸收系數(shù)，為了提高器件的量子效率，或為了在相似的探測條件下較大地增大響應(yīng)率，需要增大量子阱基態(tài)上的電子濃度，但電子濃度的增大又直接超線性地增大暗電流，直接導(dǎo)致器件的探測率下降。很大的暗電流的根本物理起因是激發(fā)態(tài)的能量位置處存在很高對光吸收無貢獻的電子態(tài)密度，若能對這些冗余電子態(tài)進行有效利用，則對于量子阱紅外探測器的性能改善具有實用價值。

目前人們提出了一種量子級聯(lián)探測器結(jié)構(gòu)，基于聲子輔助隧穿機制，具有光伏特性。見參考文獻L.Gendron et.al.“Quantum cascade photodetector”,Applied Physics Letters Vol.85,Daniel Hofstetter et.al.“23GHz operation of a room temperature photovoltaic quantum cascade detector at 5.35μm”,Applied Physics Letters Vol.89.器件的響應(yīng)率雖然不及光導(dǎo)型器件優(yōu)越，但工作溫度較高，并且級聯(lián)輸運機制可以被應(yīng)用到光導(dǎo)型器件中，使探測性能得到改善。

發(fā)明專利(申請?zhí)?01410403444.X)中公開了一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器，本專利相對該發(fā)明專利，增加了包含兩組量子阱層與勢壘層的輸運輔助單元，能夠?qū)崿F(xiàn)光電信號的增強。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本專利的目的是提供一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器，解決探測器光電信號的增強問題。

本專利的設(shè)計方案如下：

一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器，它包括襯底1，多量子阱2，上電極3，下電極4，其特征在于：

所述的一種勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器的結(jié)構(gòu)為：在襯底1上生長多量子阱2，多量子阱結(jié)構(gòu)包含下電極層和上電極層，在下電極層上制備下電極4，在上電極層上制備上電極3；

所述的襯底1為GaAs襯底；

所述的多量子阱2的結(jié)構(gòu)為：

C₁L₁(AL₂)ⁿBL₂C₂

其中：C₁為下電極層，C₂為上電極層；L₁是厚度為40到60nm寬勢壘層；L₂是厚度為2到3nm的勢壘隔離層；A為多量子阱耦合結(jié)構(gòu)的基本探測單元，其結(jié)構(gòu)為：

QW₁L₁’QW₂L₂’QW₃L₃’QW₄L₄’QW₅L₅’QW₆L₆’QW₇

B為多量子阱耦合結(jié)構(gòu)的輔助輸運單元，其結(jié)構(gòu)為：

QW_B1L_B1QW_B2

C₁與C₂均為Si重?fù)诫s的GaAs薄膜層，C₁厚度為0.5到1μm，C₂厚度為2到3μm；QW₁—QW₇為量子阱層，其中QW₁是厚度為6.8到8nm Si摻雜的GaAs層，QW₂—QW₇是厚度為2到5.4nm的非摻雜的GaAs層；L₁’—L₆’是厚度為3.1到6nm的非摻雜Al_xGa_(1-x)As層，Al組分x為0.14到0.16；以A為單一周期，重復(fù)30-50個周期；QW_B1和QW_B2是厚度為6.8到12nm的非摻雜的GaAs層；L_B1是厚度為2到3nm的非摻雜AlGaAs層；所述的上電極3和下電極4為依次沉積厚度為100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備成；

L₁’QW₂L₂’QW₃L₃’QW₄L₄’QW₅L₅’QW₆L₆’QW₇組成勢壘級聯(lián)結(jié)構(gòu)。

所述的上電極層C₂為光柵形狀，光柵結(jié)構(gòu)為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米。

本專利有如下積極效果和優(yōu)點：

1.本專利由于采用了勢壘級聯(lián)結(jié)構(gòu)，相比于常規(guī)光電導(dǎo)型量子阱紅外探測器，增加了一種光伏輸運機制，對激發(fā)態(tài)的冗余電子態(tài)進行了有效利用，有效的提高了紅外光的量子效率和響應(yīng)率。

2.本專利對光伏輸運機制的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，使之比常規(guī)量子級聯(lián)探測器的光伏輸運特性更好。多量子阱耦合結(jié)構(gòu)輔助輸運單元的引入，可以增大光電流的輸運效率，而對暗電流影響微弱，最終提高器件的探測率。

3.本專利兼有光電導(dǎo)機制和光伏機制，在工作偏壓下，與單一光電導(dǎo)機制的量子阱紅外探測器和單一光伏機制的量子級聯(lián)探測器相比，其量子效率與響應(yīng)率更高。

4.本專利具有光伏效應(yīng)，可直接將光信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，并且光伏信號與結(jié)構(gòu)周期數(shù)成正比，相比于光電導(dǎo)型器件，本專利更容易實現(xiàn)光電信號的準(zhǔn)確輸出與讀取。

附圖說明

本專利的示意圖如下：

圖1為本專利的單一周期勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器光電響應(yīng)原理圖，最右側(cè)量子阱為下一周期的第一個量子阱QW₁；

圖2為本專利最后一周期量子阱紅外探測器光電響應(yīng)原理圖，最右側(cè)為上電極層C₂；

圖3為本專利的勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖3的勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器上電極層C₂局部放大剖視示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本專利的單一周期勢壘級聯(lián)量子阱紅外探測器光電響應(yīng)原理作詳細(xì)闡述：見圖1，在偏壓下，由紅外光在摻雜量子阱中將處于基態(tài)的電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上，形成探測器的光電子。這一光電子有兩種途徑形成光電流：1)輸運到連續(xù)態(tài)，在外加電場下進行定向輸運；2)與相鄰的耦合量子阱基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉(zhuǎn)移到相鄰的量子阱。圖2中的多量子阱耦合結(jié)構(gòu)輔助輸運單元的引入，可以增大光電流的輸運效率，而對暗電流影響微弱，最終提高器件的探測率。

1.多量子阱芯片的制備

例一：

(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生長：

采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底1上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，C₁為GaAs：Si，濃度為10¹⁸/cm³，厚度為0.5μm；L₁為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為40nm；QW₁為GaAs：Si，濃度為10¹⁷/cm³，厚度為6.8nm；L₁’為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為5.65nm；QW₂為GaAs，厚度為2nm；L₂’為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為3.96nm；QW₃為GaAs，厚度為2.3nm；L₃’為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為3.1nm；QW₄為GaAs，厚度為2.8nm；L₄’為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為3.1nm；QW₅為GaAs，厚度為3.3nm；L₅’為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為3.1nm；QW₆為GaAs，厚度為4nm；L₆’為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為3.1nm；QW₇為GaAs，厚度為5nm；然后以QW₁到QW₇為一個周期，且每二個周期之間用L₂為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為2nm做勢壘隔離，重復(fù)生長30個周期，然后生長L₂為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為2nm做勢壘隔離；然后生長QW_B1為GaAs，厚度為6.8nm；L_B1為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為2nm；QW_B2為GaAs，厚度為11nm；然后生長L₂為Al_0.16Ga_0.84As，厚度為2nm做勢壘隔離；C₂為GaAs：Si，濃度為10¹⁸/cm³，厚度為2μm，形成一個多量子阱2。

寬度為6.8nm的GaAs QW₁量子阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)均處于量子阱中形成受限的局域態(tài)，其中第一激發(fā)態(tài)位置在阱口附近，同時在適當(dāng)偏壓下，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW₂中的基態(tài)能級相差約一個縱光學(xué)聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進行弛豫，同時量子阱QW₂，QW₃，QW₄，QW₅，QW₆，QW₇依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW₁，QW₂，QW₃，QW₄，QW₅，QW₆，QW₇ 7個量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。

(2)電極制備

上電極3直接做在最頂部的C₂層上，下電極4通過腐蝕把部分C₁層以上的材料全部去除，裸露出C₁層，再在該層上制備下電極4，見圖3。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。

(3)多量子阱芯片臺面制備

在上電極層C₂上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結(jié)構(gòu)為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米，見圖4，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱QW₁中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍遷。

例二：

(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生長：

采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底1上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，C₁為GaAs：Si，濃度為10¹⁸/cm³，厚度為0.75μm；L₁為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為50nm；QW₁為GaAs：Si，濃度為10¹⁷/cm³，厚度為7.6nm；L₁’為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為5.8nm；QW₂為GaAs，厚度為2.2nm；L₂’為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為4.1nm；QW₃為GaAs，厚度為2.5nm；L₃’為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為3.3nm；QW₄為GaAs，厚度為3nm；L₄’為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為3.3nm；QW₅為GaAs，厚度為3.5nm；L₅’為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為3.3nm；QW₆為GaAs，厚度為4.2nm；L₆’為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為3.3nm；QW₇為GaAs，厚度為5.2nm；然后以QW₁到QW₇為一個周期，且每二個周期之間用L₂為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為2.5nm做勢壘隔離，重復(fù)生長40個周期，然后生長L₂為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為2nm做勢壘隔離；然后生長QW_B1為GaAs，厚度為7.6nm；L_B1為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為2nm；QW_B2為GaAs，厚度為12nm；然后生長L₂為Al_0.15Ga_0.85As，厚度為2nm做勢壘隔離；C₂為GaAs：Si，濃度為10¹⁸/cm³，厚度為2.5μm，形成一個多量子阱2。

寬度為7.6nm的GaAs QW₁量子阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)均處于量子阱中形成受限的局域態(tài)，其中第一激發(fā)態(tài)位置在阱口附近，同時在適當(dāng)偏壓下，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW₂中的基態(tài)能級相差約一個縱光學(xué)聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進行弛豫，同時量子阱QW₂，QW₃，QW₄，QW₅，QW₆，QW₇依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW₁，QW₂，QW₃，QW₄，QW₅，QW₆，QW₇ 7個量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。

(2)電極制備

上電極3直接做在最頂部的C₂層上，下電極4通過腐蝕把部分C₁層以上的材料全部去除，裸露出C₁層，再在該層上制備下電極4，見圖3。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。

(3)多量子阱芯片臺面制備

在上電極層C₂上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結(jié)構(gòu)為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米，見圖4，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱QW₁中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍遷。

例三：

(1)多量子阱芯片的薄膜材料的生長：

采用分子數(shù)外延(MBE)在GaAs襯底1上按以下結(jié)構(gòu)順次生長，C₁為GaAs：Si，濃度為10¹⁸/cm³，厚度為1μm；L₁為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為60nm；QW₁為GaAs：Si，濃度為10¹⁷/cm³，厚度為8nm；L₁’為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為6nm；QW₂為GaAs，厚度為2.4nm；L₂’為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為4.3nm；QW₃為GaAs，厚度為2.7nm；L₃’為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為3.5nm；QW₄為GaAs，厚度為3.2nm；L₄’為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為3.5nm；QW₅為GaAs，厚度為3.7nm；L₅’為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為3.5nm；QW₆為GaAs，厚度為4.4nm；L₆’為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為3.5nm；QW₇為GaAs，厚度為5.4nm；然后以QW₁到QW₇為一個周期，且每二個周期之間用L₂為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為3nm做勢壘隔離，重復(fù)生長50個周期，然后生長L₂為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為2nm做勢壘隔離；然后生長QW_B1為GaAs，厚度為8nm；L_B1為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為2nm；QW_B2為GaAs，厚度為13nm；然后生長L₂為Al_0.14Ga_0.86As，厚度為2nm做勢壘隔離；C₂為GaAs：Si，濃度為10¹⁸/cm³，厚度為3μm，形成一個多量子阱2。

寬度為8nm的GaAs QW₁量子阱中基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)均處于量子阱中形成受限的局域態(tài)，其中第一激發(fā)態(tài)位置在阱口附近，同時在適當(dāng)偏壓下，第一激發(fā)態(tài)與相鄰的量子阱QW₂中的基態(tài)能級相差約一個縱光學(xué)聲子的能量，可通過聲子輔助隧穿進行弛豫，同時量子阱QW₂，QW₃，QW₄，QW₅，QW₆，QW₇依次的基態(tài)均與相鄰量子阱的基態(tài)形成聲子輔助隧穿狀態(tài)。在器件中QW₁，QW₂，QW₃，QW₄，QW₅，QW₆，QW₇ 7個量子阱結(jié)構(gòu)的組合形成一個基本探測單元，即形成一個原理器件。

(2)電極制備

上電極3直接做在最頂部的C₂層上，下電極4通過腐蝕把部分C₁層以上的材料全部去除，裸露出C₁層，再在該層上制備下電極4，見圖3。上下電極均用電子束蒸發(fā)依次厚度為100nm的AuGe、20nm的Ni和400nm的Au材料制備而成。

(3)多量子阱芯片臺面制備

在上電極層C₂上通過腐蝕方法做成光柵，光柵結(jié)構(gòu)為兩維衍射光柵，光柵周期3微米，孔為正方形，邊長為1.5微米，深度為1.5微米，見圖4，使入射的紅外光能被充分的耦合到量子阱中去，產(chǎn)生量子阱QW₁中的電子從基態(tài)向第一激發(fā)態(tài)躍遷。

2.器件的工作過程：

將多量子阱芯片放置在一個帶有紅外波段光學(xué)窗口的制冷杜瓦中。紅外響應(yīng)波段為6-10微米，芯片制冷到約80K。仔細(xì)地微調(diào)器件的偏置電壓7，形成良好的聲子輔助隧穿條件，隨后將紅外光5照射在多量子阱芯片上，此時由于紅外光的激發(fā)引起量子阱QW₁中的電子受激進入第一激發(fā)態(tài)，此時光電子有兩種輸運機制：1)輸運到連續(xù)態(tài)，在外加電場下進行定向輸運；2)與相鄰的偶和量子阱基態(tài)發(fā)生聲子輔助隧穿，從而將光電子轉(zhuǎn)移到相鄰的量子阱，并且該電子很難反向輸運到QW₁量子阱中。這一過程的完成就形成了光電流信號6。相對于常規(guī)量子阱紅外探測器，該結(jié)構(gòu)增加了基于聲子輔助隧穿的輸運機制，增強了器件的響應(yīng)率并提高了量子效率。