带有InGaAs覆盖层的InAs量子点红外探测器材料的发光与光电响应

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1、第3()卷笫2期2009年4丿J发光学报Voll30Nol2CHNESEJOURNALOFLUMNESCENCEApr,2009文章编号:100027032(2(X)9)022)2092)5带有hGaAs覆盖层的hAs量子点红外探测器材料的发光与光电响应吴殿仲-王文新2'，杨成良S蒋中伟S高汉超S田海涛J陈弘S姜宏伟I(1.首都师范大学物理系，北京100048;2中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室，北京100190)摘要：利用分子束外延技术(MBE)，在GaAs(()()l)衬底上自组织牛长了不同结构

2、的hAs量子点样品，并制备了量子点红外探测器件。利用原子力显微镜(ARV1)和光致发光(PL)光谱研究了量子点的表而结构、形笏和光学性质。渐变InGaAs层的插入有效地释放了Ms量子点所受的应力•抑制了量子点中M组分的偏析提高了外延层的牛长质量，降低了势垒高度，使MAS量子点荧光波长红移。伏安特性曲线和光电流(PC)谱结果表明，生长条件的优化提高了器件的红外响应，具有纽分渐变的MGaAs层的探测器响应波长发生明显红移。矢键词：JnAs＞子点；InGaAs渐变层；光致发光；分子束外延；红外探测器中图分类号：048

3、231;048441PACS:7&55.CrPACC:3250F;7855D;6855文献标识码：A收稿日期：20082)825;修订日期：2008211224作者简介：吴殿仲(1978-),男，山东泰安人,主要从事鼠子点红外探测器材料的分子束外延生长的研究。3:通讯联系人；E2nail:wxwang@aphyiphyaccn,Tel:(010)826492081引言红外探测技术作为光电子技术研究中的重要领域，广泛应用于工业、医疗、军事以及民用等方面。HgCdTc是最早研究的红外探测器材料，但是存在许多不容易克

4、服的缺点，如:均匀性差、界面不稳定、重复性低、成本高等。近二十年来发展赴来的量子阱红外探测器,克服了H实dTe材料的缺点,得到了广泛的关注。量子阱红外探测器的探测原理是基于导带内电子的子带跃迁，量子阴将电子限制在可以与电子的德布罗意波长和平堆自由程大小相比拟的势阱中，改变量子阱的参数可以方便的调节探测器的探测波长。但是，量子阱探测器也有其局限性，由于跃迁选择定则的限制，使其不能直接探测垂直入射光，必须使用介质或耦合光栅才能吸收垂直入射光，这样就加大了制作成本，而且其在红外波段只有较窄的光谱响应。结构形式和工作原

5、理与量子阱红外探测器札似的量子点红外探测器由于具有垂直入射光响应,萸低的暗电流，萸高的光电増益、响应率和探测率高的特点，引起了研究者的极大兴趣⑴。20世纪90年代中期以来，由于采用应变自组织生长模式得到的高密度，尺寸均匀，大小可调节的量子点结构，促进了量子点红外探测器的快速发展37】。GaAs衬底上生长的hAs量子点，可以通过覆盖不同组分的InGaAs层调节量子点的能带结构，得到中红外波长的探测器件，8'，01o在量子点红外探测器结构中插入的打组分渐变的InGaA层，能更好的释放量子点所受的应力，提高外延层的材

6、料质量,调节探测器的红外响应波长，优化器件的性能。本文通过优化量子点生长条件，在有源层顶部插入生长In组分渐变的应变InGaAs层，制备了量子点红外探测器，研究了渐变MGaAs层对外延材料和器件的影响。2实验采用VG公司的V100MBE系统，在半绝缘GaAs(OOl)衬底上外延生长InAs量子点探测器材料，整个生长过程由反射高能电子衍射仪(RHEED)原位监测。生长过程如下：半绝缘GaAs(OOl)衬底，在As气氛的保护下加热到5804兑掉衬底表面的氧化膜，然后牛长500nm的GaAs缓冲层以获得平整表面。探测

7、器结构如图1所示。生长的SiXiaAs作为器件的下电极，中间为10个周期的量子点区，最后是300nn的SiXiaAs用来制作上电极，掺杂浓度为1.2X10,8cm'。10个周期的量子点区的生长条件如下：衬底降温到490°C生长InAs量子点和JnGaAs插入层，当InAs生长到1.7个原子层(ML)时，观察到RHEED衍射图样由线状变化为点状，对应于生长模式由二维转化为三维，表明此时量子点开始形成。控制生长时间得到InAs量子点的厚度为25ML,适当的屮断时间，以便In原子在表面能充分迁移，得到尺寸合适且大小均

8、匀的量子点。如此生长十个周期，然后生长hGaAs盖帽层,最后将衬底温度升到580°C生长40阿的GaAso共生长两组样品，第一组的两个样品是为了研究优化量子点的生长条件，在不同的条件下生长的量子点的尺寸和密度对乩光谱的影响，分别标号为A和B,第二组样品是利用了前面的优化条件生长了不同QDs探测器的样品分别标记为r和2J其基本结构如图1所示。两组样品的区别在于量子点区的不同，r号样品的I