工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法

专利名称：工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法
技术领域：
本发明涉及一种光伏型量子阱探测器有源区结构的设计，特别涉及工作在太赫兹波段的 光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法。
背景技术：
光伏型量子阱探测器为单极器件，其基本工作原理为当外加辐射光照射器件时，电子 从量子阱中的束缚态跃迁到位于势垒边的准连续态，经过弛豫后转移到另一个量子阱中，从 而在空间上实现电荷分离，产生电势差，按这样的结构重复多个周期后，通过测量器件两端 的光伏信号来完成对目标光辐射的探测。在中红外波段已经实现量子阱探测器的光伏探测， 且实验研究表明，其在工作温度和暗电流特性方面均表现优越，尤其是在热分辨率方面有其 独特的优点。为此，可以通过改变材料组分和掺杂条件，并采用合理的计算方法，设计出适 合于在太赫兹波段工作的量子阱探测器有源区结构，从而实现太赫兹量子阱探测器的光伏探 测。目前光电导型太赫兹量子阱探测器存在较大的暗电流，且制作焦平面阵列的过程中对读 出电路要求有足够大的电容与之适应，进而会面临以下问题1) 光电导型器件的量子效率正比于吸收系数，为了在相似的探测率条件下较大地增加响 应率(或提高器件的量子效率)，需要增加量子阱基态上的电子浓度。然而电子浓度 的增加会导致器件内热激发的增多，引起器件暗电流增加，直接导致器件的探测率下 降。为此，量子阱基态电子浓度与器件响应率之间存在一个折中，需要对器件掺杂浓 度进行最优化，以此来平衡其与响应率之间的矛盾。2) 光电导型器件的空间电荷效应会随着掺杂浓度的增加而增强，且光电导型器件工作电 流较大，用其制作的焦平面阵列积分时间短，而受目前微电子加工工艺的限制，读出 电路在上述情况下，很容易饱和，致使读出电路自身的噪声加大，需要在极低温度下 工作，从而使焦平面阵列的最终性能下降。为解决上述问题，需要采用光伏型器件。目前人们提出的光伏型量子阱探测器的结构有多种，以下提出的设计主要基于"四区"结 构，该"四区"结构分为激发区、漂移区、俘获区和隧穿区，当太赫兹光辐射作用于器件有源 区时，位于激发区的束缚态(基态)电子吸收光子能量，跃迁到略高于宽势垒边的准连续态(激发态)，由于受单边高势垒层的阻挡，激发态电子在弛豫过程中形成电子的单向运动， 弛豫后的电子经过漂移区后到达俘获区，再以一定的几率经过隧穿区到达下一个周期的激发区，如此重复下去，从而形成一穿过器件有源区的光生电流，由于这一电流很小，器件在电 学上更容易表现为电压的变化，即光伏信号，最终通过测量器件两端光伏信号的变化，完成 对目标太赫兹光辐射的探测。对于中红外的光伏型量子阱探测器，人们研究得比较多，但对 于太赫兹波段，目前仍未见报道，尽管目前光伏型器件的响应率和探测率不及光电导型器件 优越，但光伏型的太赫兹量子阱探测器件是一个发展方向，其性能的显著改善将弥补光电导 型器件在工作温度和暗电流特性方面的不足，因而具有很好的实际意义。为此，如何在实验 上有效地形成上述有源区结构，进而实现太赫兹波段量子阱探测器的光伏探测已成为本领域 技术人员亟待解决的技术课题。发明内容本发明的目的在于提供一种工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成 方法，以形成光伏型量子阱探测器。为了达到上述目的，本发明提供的工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构 的形成方法，包括步骤1)在单个周期内形成AlGaAs/GaAs多量子阱结构，多量子阱结构包 括宽势垒区、在宽势垒区上生长的第一掺杂量子阱层、在第一掺杂量子阱层上依次单层交 替生长一高一低的多组分势垒区，且生长的相互间隔的高组分单层的组分相同、在多组分势 垒区上生长第二量子阱层、在第二量子阱层上生长低势垒区、及在低势垒区上生长第三量子 阱层，并使宽势垒区中的Al组分值小于O.l，使多组分势垒区的高组分单层的A1组分值大于 0.25; 2)釆用自洽的平面波展开方法，并在考虑Hartree势的影响下求解薛定谔方程以计算出 单周期结构的电子波函数的分布；3)根据计算出的电子波函数的分布，采用简化的散射模型， 在考虑电子在准连续态时电子-声子、电子-杂质散射效应对光响应谱峰形的影响情况下，计算 单周期结构的光电流谱；4)根据计算出的光电流谱的结果选择适合于特定探测波长的结构作 为工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构。特别地，上述宽势垒层采用AlGaAs材料，其中Al的组分釆用0.03，多组分势垒区的高 组分单层的A1组分值采用0.3。综上所述，本发明通过选择A1组分的大小，来调节有源区单周期结构光电流谱峰的位置， 使之能够在太赫兹波段实现探测。然后采用自洽的平面波展开方法，在考虑Hartree势的影响 下求解薛定谔方程，计算单周期结构的电子波函数分布，由于电子在准连续态时电子-声子、 电子-杂质的散射效应会影响光响应谱的峰形，因此在考虑上述影响下，采用一种简化的散射 模型来计算单周期结构的光电流谱，并根据计算结果进行选择，最终为实现太赫兹波段的光伏型量子阱探测提供合适的有源区结构。


以下是对本发明涉及的AlGaAs/GaAs多量子阱结构各示意图的阐述。 图l为采用本发明的方法得到的有源区单周期材料结构示意图。图2为外加太赫兹辐射时与附图1中材料结构相对应的器件有源区中单周期内电子输运 示意图。图3为采用本发明所提出的方法得到的单周期内的电子波函数分布示意图。图4为采用本发明所提出的方法计算得到的单周期材料结构对应的光电流谱示意图。
具体实施方式
以下将通过具体实施例来对本发明的工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结 构的形成方法进行具体说明。本发明的工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法主要包括以下 步骤第一步如图1所示，在单个周期内形成AlGaAs/GaAs多量子阱结构，其中，多量子阱 结构包括宽势垒区Bi、在宽势垒区Bi上生长的第一掺杂量子阱层A"在第一掺杂量子阱 层上依次单层交替生长一高一低的多组分势垒区B2、在多组分势垒区B2上生长第二量子阱层 A2、在第二量子阱层上生长低势垒区B3、及在低势垒区B3上生长第三量子阱层A3，并使宽 势垒区Bi中的Al组分值小于O.l，使多组分势垒区的高组分单层的Al组分值大于0.25，且 多组分势垒区B2由B21B22B23B24四层组成，并分成两种单层交替生长，即B21与B23为相同 Al组分层，B22与B24为相同Al组分层，当电子在器件中输运时，三个势垒层的作用各不相 同宽势垒区Bi主要为了抑制其两边量子阱之间的电子隧穿电流，多组分势垒层B2用一高一 低两种组分代替单一高组分势垒的目的在于使第二量子阱层A2量子阱中的电子更容易通过隧穿而输运到第一掺杂量子阱层Ai量子阱中，低势垒区B3为量子阱中低势垒，主要是为了抑制 A2量子阱中电子的反向热激发过程，三个量子阱层的宽度不同，其中的第一掺杂量子阱层A 阱被掺杂，因而电子在每一个阱中所占据的子能级位置不同。将上述单个周期重复生长即得 到器件结构的有源区，而器件的探测波长，由有源区AlGaAs宽势垒层中Al的组分决定，在 本实施例中，取宽势垒层Bi和高组分单层的Al组分值分别为x^.03和x二0.3。同时，如图l所示，单周期结构对应的材料厚度按生长方向依次为B！为AlQ.Q3Gao.97As，厚度84 nm; A 为GaAs:Si，浓度4xl016 cm-3,厚度17腿;B2包括四层，总厚度6.6腿(其中B21为Ala()3Gao.97As， 厚度2.0 nm; B22为Al0.3Gao.7As，厚度2.2腦；B23为Al0.03Gao.97As,厚度1.2 nm; B24为 Al0.3Gao.7As，厚度1.2謹)；A2为GaAs，厚度10.8證；B3为Al0.03Gao.97As，厚度4 nm; A3 为GaAs，厚度6 nm。确定好上述单周期结构后，先简单介绍一下当太赫兹辐射作用于上述单周期结构对应的 有源区时电子在该周期内的输运过程(请参见图2)，其中1、 2、 3、 4分别为激发区、漂移 区、俘获区和隧穿区。当外加太赫兹辐射光作用于器件有源区时，激发区1量子阱内的束缚 态电子吸收光子，跃迁到比漂移区2带边略高的激发态，形成光电子。由于单边高势垒层的 阻挡，这一电子在弛豫过程中形成电子的单向运动，弛豫后的电子向俘获区3漂移，然后被 俘获区3右部的量子阱俘获，并迅速弛豫到该量子阱的基态中。然后，这一光电子通过共振 隧穿转移到俘获区3左部量子阱中。这一光电子再以一定几率越过隧穿区4，到达下一周期的 激发区l，进入下一个周期的输运。实际器件结构中，上述过程会在有源区中周期性地重复下 去，光生电子最后达到器件的下电极，最终与器件上电极形成一光伏信号。俘获区3的两个 耦合量子阱中的基态处于同一能级位置，从而有利于电子在其间做共振隧穿。俘获区3中基 态能级与激发区1中基态能级相隔很近，便于电子通过隧穿越过隧穿区4 (高势垒层)。由此可见通过改变材料结构(如阱和垒的宽度等)和组分以及激发区的掺杂浓度可调节两个隧穿 能级的位置。第二步采用自洽的平面波展开方法，并在考虑Hartree势的影响下求解薛定谔方程以计 算出单周期结构的电子波函数的分布，如附图3所示，为了减小计算量，只对结构中前六个 子能级处的电子波函数分布进行了计算，其中第一 (E。和第二 (E2)子能级为束缚态能级， 其余四个为准连续态能级。其中隧穿过程的能级差设计为E2产E2-E尸4.34meV，有利于隧穿过 程的进行，而对于其逆过程(即热电子再发射过程)的负面影响，我们通过将俘获区分成两 个部分，调节肼宽比例使电子波函数主要分布在靠近隧穿区的量子阱中，从而有效抑制了热 电子再发射过程的影响；另外，尽管第三个子能级为准连续态，但它处于束缚态边缘，从电 子波函数分布依然可以得出，电子主要分布在俘获区，因而在某种程度上也可以抑制电子弛 豫回激发区。计算电子波函数分布的目的是为了选择合适的材料结构参数，以确定合适的隧 穿能级差E21和前三个子能级中电子的分布。第三步根据计算出的电子波函数的分布，采用简化的散射模型，在考虑电子在准连续态时电子-声子、电子-杂质散射效应对光响应谱峰形的影响情况下，计算单周期结构的光电流 谱，如图4所示，由图中看出该结构对应的光电流谱的峰值位置为4.8 THz (对应波数为160 cm-1)。第四步根据计算出的光电流谱的结果选择适合于特定探测波长的结构作为工作在太赫 兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构，显然，在原理上，采用该结构制作的光伏型量子 阱探测器的探测波长可为4.8 THz。综上所述，本发明有如下积极效果和优点1. 首次设计了工作于太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构，鉴于光伏型器件的 特点，促进了太赫兹波段量子阱探测器性能的优化。2. 求解薛定谔方程时考虑了Hartree势的影响，使计算结果更符合实际情况。3. 形成的是光伏型器件，相对目前研制出的光电导型太赫兹量子阱探测器而言，有效地 降低了暗电流，在焦平面阵列器件应用中可以有很长的积分时间，可以提高器件的热 分辨率。
权利要求
1.一种工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法，其特征在于包括以下步骤1)在单个周期形成AlGaAs/GaAs多量子阱结构；多量子阱结构包括宽势垒区、在宽势垒区上生长的第一掺杂量子阱层、在第一掺杂量子阱层上依次单层交替生长一高一低的多组分势垒区，且生长的相互间隔的高组分单层的组分相同、在多组分势垒区上生长第二量子阱层、在第二量子阱层上生长低势垒区、及在低势垒区上生长第三量子阱层，并使宽势垒区中的Al组分值小于0.1，使多组分势垒区的高组分单层的Al组分值大于0.25；2)采用自洽的平面波展开方法，并在考虑Hartree势的影响下求解薛定谔方程以计算出单周期结构的电子波函数的分布；3)根据计算出的电子波函数的分布，采用简化的散射模型，在考虑电子在准连续态时电子-声子、电子-杂质散射效应对光响应谱峰形的影响情况下，计算单周期结构的光电流谱；4)根据计算出的光电流谱的结果选择适合于特定探测波长的结构作为工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器的有源区结构。
2. 如权利要求1所述的工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方 法，其特征在于所述宽势垒层采用AlGaAs材料，其中Al的组分采用0.03，所述 多组分势垒区的高组分单层的Al组分值采用0.3。
全文摘要
一种工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器有源区结构的形成方法。其首先在单个周期内形成AlGaAs/GaAs多量子阱结构，所述多量子阱结构依次包括宽势垒区、第一掺杂量子阱层、多组分势垒区、第二量子阱层、低势垒区、及第三量子阱层，并使宽势垒区中的Al组分值小于0.1，使多组分势垒区的高组分单层的Al组分值大于0.25，然后采用自洽的平面波展开方法，并在考虑Hartree势的影响下求解薛定谔方程，采用简化的散射模型，在考虑电子在准连续态时电子-声子、电子-杂质散射效应对光响应谱峰形的影响情况下，计算单周期结构的光电流谱，最后选择适合于特定探测波长的结构作为工作在太赫兹波段的光伏型量子阱探测器的有源区结构，由此可形成光伏型器件。
文档编号G06F17/50GK101257061SQ20081003612
公开日2008年9月3日 申请日期2008年4月16日 优先权日2008年4月16日
发明者曹俊诚, 谭智勇, 郭旭光 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所