[发明专利]铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光电探测技术领域，尤其涉及铟镓砷/铟铝砷(InGaAs/InAlAs)耦合量子点红外探测器及其制备方法。

背景技术

红外探测器在夜间摄像、军事侦察、火灾预测、采集火山和矿藏信息、癌症诊断和天文学研究等很多领域具有很高的应用价值。目前广泛应用的红外探测器是碲镉汞(HgCdTe)探测器和镓砷/铝镓砷(GaAs/AlGaAs)量子阱红外探测器，InGaAs量子点红外探测器的研究也在广泛开展。

InGaAs量子点红外探测器是利用InGaAs量子点导带中电子吸收红外辐射光子后在子能级之间跃迁或者子能级跃迁到连续态，这些光激发电子累积形成光电流，从了探测出红外辐射源的信息。理论上量子点探测器相对于量子阱探测器的优势在于：1.量子点外形呈岛状，对垂直入射的红外辐射的敏感，因此量子点红外探测器不需要制作表面光栅来耦合垂直入射光波；2.量子点中的载流子束缚在纳米量级的三维势阱中，量子尺寸效应使得其中的子能级之间间隔很大，量子点对注入电子的捕获率低于量子阱对注入电子的捕获率，因此，量子点红外探测器的光电子增益较大；3.量子点中电子的热激活能高，导致量子点红外探测器的暗电流被抑制，工作温度被提高。但是目前InGaAs量子点红外探测器的工作性能仍然低于碲镉汞(HgCdTe)探测器以及GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器，其主要原因是：1.目前自组织生长的量子点密度较低，均匀性不理想，这些都极大地限制了量子点红外探测器对红外辐射的峰值吸收系数和光电流密度；2.量子点红外探测器中需要加入禁带宽度较大的GaAlAs材料来降低其中的暗电流，提高量子点红外探测器的探测率。因此增加量子点的密度和均匀性，抑制暗电流将显著提高量子点红外探测器性能。

我们在GaAs上生长的InAlAs量子点的密度达到1011cm-2量级，远高于直接生长在GaAs上的InGaAs量子点的密度，而且具有很好的均匀性。利用InAlAs量子点通过GaAs间隔层将应变场传递给InGaAs量子点，这种垂直耦合效应将提高InGaAs量子点的密度和均匀性，相应地提高量子点红外探测器的性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器及其制备方法。该InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器一方面利用InGaAs量子点和InAlAs量子点种子层之间的垂直耦合效应来增加InGaAs量子点的密度并改善量子点的均匀性，相应地提高量子点探测器对红外辐射的吸收系数和光电流密度；另一方面利用InAlAs材料的禁带宽度大于GaAs和InGaAs材料的禁带宽度的性质，降低InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器中的暗电流。

本发明一种铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器，其特征在于，该探测器包括：

一GaAs衬底，该GaAs衬底作为铟镓砷/铟铝砷耦合量子点红外探测器的载体；

一n+GaAs下接触层，该n+GaAs下接触层生长在GaAs衬底上，作为缓冲层消除半绝缘GaAs衬底引起的界面缺陷；该n+GaAs下接触层中重掺杂施主Si原子；

一多周期光电流产生区，该多周期光电流产生区生长在n+GaAs下接触层上，其作用是吸收红外辐射并产生光电子；

一n+GaAs上接触层，该n+GaAs上接触层生长在多周期光电流产生区上，保护多周期光电流产生区；该n+GaAs上接触层中重掺杂Si原子；

一上电极，该上电极制作在n+GaAs上接触层上，呈方框形，面积很小，几乎不影响红外辐射垂直入射到多周期光电流产生区，收集并输出多周期光电流产生区产生的光电流信号；

一下电极，该下电极制作在n+GaAs下接触层上形成的台阶的一侧，和上电极一起给多周期光电流产生区施加偏压。

其中所述的n+GaAs下接触层、多周期光电流产生区、n+GaAs上接触层是利用分子束外延或者金属有机物化学气相外延方法生长的。

其中所述的多周期光电流产生区的每一周期包括：

一InAlAs量子点，该InAlAs量子点最初生长在n+GaAs下接触层上，从第二周期开始生长在前一周期的GaAs上间隔层上；该InAlAs量子点作为种子层来提高InGaAs量子点的面密度；该InAlAs量子点作为暗电流阻挡层降低InGaAs/InAlAs耦合量子点红外探测器中的暗电流；