[发明专利]量子放大的p型量子阱红外探测器

说明书

技术领域

本发明涉及p型量子阱红外探测器，特别是指一种用于探测中波(3-5um)、长波(8-12um)的量子点共振隧穿二极管辅助的量子放大的p型量子阱红外探测器。

背景技术

量子阱红外探测器(QWIP)在近十年中发展很快，从单个器件到焦平面器件的研制工艺都已经相当完善。其中n型量子阱红外探测器(n-QWIP)由于电子有效质量小，迁移率高，器件对红外辐射具有很高的探测率和响应速率，得到了人们的广泛研究。但n-QWIP由于受量子跃迁选择定则的限制，必须使用介质或金属耦合光栅才能对正入射光有吸收，给焦平面器件制备工艺带来了极大的困难。而对于p型量子阱红外探测器，由于轻、重空穴带的混合，正入射光可以直接诱导空穴亚带跃迁，无需耦合光栅就可以被p-QWIP吸收，因而易于进行焦平面制备。但由于空穴有效质量较大、迁移率低，难以以微米量级传输过电极层，形成光电流，因而器件的量子效率和探测率都很低。

共振隧穿二极管的电流一电压曲线具有很强的非线性，在共振隧穿峰值电压附近偏压的稍许变化就能导致隧穿电流的极大变化。如果在共振隧穿双势垒前面埋入一层量子点，形成量子点共振隧穿二极管(QD-RTD)，则量子点中的充放电会导致量子点区域电势有meV量级的变化，进而形成共振隧穿二极管从非共振隧穿状态演变到共振隧穿状态。一旦把这样的充放电过程由光照下光生载流子对量子点的充放电过程来实现，就有可能形成对光生载流子的信号的量子放大，形成10⁵-10⁸的放大倍数。因此，如果将该具有巨大放大倍数的量子点共振隧穿二极管引入对有正入射响应的p-QWIP，实现红外光响应信号的极大放大，就可解决p-QWIP的量子效率和探测率都很低的问题。

发明内容

基于p型量子阱红外探测器低量子效率的缺点，本发明的目的就是要提出一种将p型量子阱集成到量子点共振隧穿二极管的本征光吸收区中的量子放大的p型量子阱红外探测器。

本发明的量子放大p型量子阱红外探测器基于的原理是：利用p型量子阱中空穴态间光跃迁，形成能够改变隧穿二极管量子点区域电势的空穴对量子点的有效注入，从而使得隧穿二极管处于近共振状态下的发射极电子会在空穴注入到量子点后发生共振隧穿，到达集电极，为此由隧穿的电子电流表达了空穴光电流，并把空穴光电流进行了高达10⁵-10⁸放大倍数的放大。从而使得器件同时拥有p型量子阱探测器无需耦合光栅的简单工艺和极高量子放大倍数形成的很高量子效率和响应率。

本发明的量子放大的p型量子阱红外探测器结构，包括：量子点共振隧穿二极管和p型量子阱有源层。

所说的量子点共振隧穿二极管由半绝缘GaAs衬底，在半绝缘GaAs衬底上通过分子束外延或金属有机气相外延方法依次排列生长GaAs缓冲层、AlAs腐蚀阻挡层、掺杂浓度渐变的n⁺GaAs下电极层、第一GaAs间隔层、双势垒结构层、第二GaAs间隔层、InAs量子点、本征GaAs量子点覆盖层、第三GaAs间隔层和n⁺GaAs上电极层组成。

所说的双势垒结构层为Al_xGa_1-xAs/GaAs/Al_xGa_1-xAs，组分x＝0.33-1.0。

所说的InAs量子点的密度为(1-9)×10¹⁰cm^-2。

所说的p型量子阱有源层设置在量子点共振隧穿二极管的本征GaAs量子点覆盖层和第三GaAs间隔层之间。

所说的p型量子阱有源层为1-10个周期的In_yGa_1-y As/GaAs层，组分y＝0.1-0.6，In_yGa_1-yAs为势阱，GaAs为势垒。

本发明器件工作在正偏压模式下，由于p型量子阱有源层处于耗尽区中，为了保证较小的暗电流噪声，器件应工作在液氦温度(4.2K)到液氮温度(77K)之间。

本发明的器件优点如下：

1.可以在正入射条件下工作，克服了常规n型量子阱红外探测器在正入射条件下不响应的困难，易于焦平面器件的制备。