公开了用于锑化物基反向二极管毫米波探测器的示例性方法和装置。公开的一种示例性反向二极管包括靠近非均匀掺杂分布的第一侧的阴极层,和靠近间隔层的第二侧的锑化物隧道势垒层。
1.一种反向二极管,包括:与p型δ掺杂平面(114)的第一侧邻近的n-InAs阴极层(116);具有与所述p型δ掺杂平面(114)的第二侧邻近的第一侧的n-InAs间隔层(112);邻近间隔层(112)之第二侧的AlSb隧道势垒(110);p型掺杂的GaSb阳极层(106);和位于所述AlSb隧道势垒(110)与所述GaSb阳极层(106)之间的未掺杂AlGaSb层(108)。
2.根据权利要求1所述的反向二极管,其中所述AlSb隧道势垒(110)的厚度在0.3nm到3nm之间。
3.根据权利要求2所述的反向二极管,其中所述AlSb隧道势垒(110)未掺杂。
4.根据权利要求1所述的反向二极管,其中所述p型δ掺杂平面(114)包括铍掺杂剂。
5.根据权利要求4所述的反向二极管,其中所述铍掺杂剂的浓度为至少5×10⁺¹¹cm^-2。
6.一种对反向二极管探测器进行掺杂的方法,包括:形成邻近隧穿阳极接触层(104)的半绝缘GaAs衬底(102);形成邻近所述隧穿阳极接触层(104)之上侧的锑化物子结构(120);在所述锑化物子结构(120)的上侧上形成n-InAs间隔层(112);在所述间隔层(112)的上侧上形成δ掺杂平面(114);以及在所述δ掺杂平面(114)的上侧上形成n-InAs阴极层(116),其中形成锑化物子结构(120)进一步包括在下面的GaSb阳极层(106)和上面的AlSb隧道势垒(110)之间形成未掺杂的AlGaSb层(108)。
7.根据权利要求6所述的方法,进一步包括形成所述上面的AlSb隧道势垒(110),所述上面的AlSb隧道势垒的厚度在0.3nm到3nm之间。
8.根据权利要求6所述的方法,其中所述δ掺杂平面(114)的浓度为至少5×10⁺¹¹cm^-2。相关申请本专利为要求2008年5月27日递交的、题为“Methodsxa0andxa0Apparatusxa0forxa0Antimonide-basedxa0Backwardxa0Diodexa0Millimeter-Wavexa0Detectors(用于锑化物基反向二极管毫米波探测器的方法和装置)”的美国临时专利申请No.61/056,278的优先权的国际申请,由此通过引用将该申请的全部内容合并于此。政府权益声明本公开内容部分地是在来自美国国家科学基金会的批准号为No.ECS-0506950和No.IIS-0610169的美国政府支持下作出的。美国政府对本发明享有一定权利。技术领域
本公开内容涉及低噪声探测器,更具体地涉及锑化物基反向二极管毫米波探测器。
背景技术
毫米波的独特传播特性,包括穿透诸如雾、灰尘、织物和轻体建筑材料等障碍的能力,使其成为不利条件下的探测、成像和遥感的候选。不同于通过使用x光成像系统而发出的电离辐射,毫米波在人和动物周围造成较少的安全问题。另外,由于人和动物会发出包括一部分毫米波频谱的自然辐射,因此被设计来探测此类辐射的成像系统可以在诸如武器和/或藏在衣服下面的违禁品等物体阻挡自然发出的辐射时,识别出这类物体。探测自然发出(例如,人)的毫米波辐射所实现的至少一个好处是,探测系统在扫描物体时不需要使用辐射源或发射器。低强度高频毫米波信号还可以促进通信、成像、医疗诊断、航空电子学和/或辐射测量领域的进步。在某些重要领域中,相对高标准的可重复性和分辨率是完成诸如科学和/或工业辐射测量应用的一个或多个任务所必需的。目前用来探测毫米波信号的一些器件包括作为直接平方律探测器的肖特基二极管。然而,为了获得毫米波频率下的、用于高效阻抗匹配的足够低的结电阻,肖特基二极管通常会被偏置,和/或与一个或多个放大器结合实现以最小化探测噪声。在某些需要低噪声基准的情况下,多级前置放大器是必须的,每一级前置放大器目前都要花费数千美元。
发明内容
本发明提供一种反向二极管,包括:与p型δ掺杂平面的第一侧邻近的n-InAs阴极层;具有与所述p型δ掺杂平面的第二侧邻近的第一侧的n-InAs间隔层;邻近间隔层之第二侧的AlSb隧道势垒;p型掺杂的GaSb阳极层;和位于所述AlSb隧道势垒与所述GaSb阳极层之间的未掺杂AlGaSb层。本发明还提供一种对反向二极管探测器进行掺杂的方法,包括:形成邻近隧穿阳极接触层的半绝缘GaAs衬底;形成邻近所述隧穿阳极接触层之上侧的锑化物子结构;在所述锑化物子结构的上侧上形成n-InAs间隔层;在所述间隔层的上侧上形成δ掺杂平面;以及在所述δ掺杂平面的上侧上形成n-InAs阴极层,其中形成锑化物子结构进一步包括在下面的GaSb阳极层和上面的AlSb隧道势垒之间形成未掺杂的AlGaSb层。
附图说明
图1是示例性锑化物基非均匀掺杂异质结构层;图2A是可以使用图1的示例性异质结构层的示例性探测器的电流-电压和曲率特性的示例性图;图2B为三种示例性异质结构设计的电流密度-电压的示例性图;图3示出两种示例性探测器异质结构设计的能带图;图4A示出示例性阴极设计的结电容-电压图;图4B示出ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="77"/>异质结构的结电容-面积和结电阻-面积图;图5示出示例性探测器的片上灵敏度-频率图。
具体实施方式
近年来,已研究了毫米波探测技术用于航海、航空电子学、安检和化学传感中的应用。毫米波的探测、成像和/或辐射测量可以利用以硅(Si)、锗(Ge)、GaAs或其它半导体材料制成的器件来实现,以提供低噪声、高像素密度、高非线性和/或曲率、和/或较快的频率响应。例如,由于肖特基二极管的低前向导通电压、快速频率响应和高带宽而将其用于这种探测目的。尽管某些肖特基二极管的实现包括会引入闪变噪声(例如,1/f噪声)的外部偏置,但是肖特基二极管的无偏置实现通常会遭受灵敏度随温度的强烈变化,并且可能会有不期望的较大结电阻。进一步地,肖特基二极管对温度的依赖性直接影响二极管曲率。 γ = ∂ 2 I / ∂ V 2 ∂ I / ∂ V ]]>xa0xa0xa0(公式1) γ ≤ q kT ]]>xa0xa0xa0(公式2)示例性公式1示出了曲率系数γ,γ是电流对电压的二阶导数被电流对电压的一阶导数除的商。曲率系数(γ)用作对零偏置下的探测器非线性进行量化(从而对灵敏度进行量化)的至少一个工业用度量。然而,如上所述,肖特基二极管和/或其它热电子器件表现出如公式2所表示的基本的性能极限,公式2中,q为电子电荷,k为玻尔兹曼常数,并且T为绝对温度。示例性公式2与器件设计无关,因而会导致对肖特基二极管曲率的基本极限。一般而言,器件在零偏置下表现出较高非线性的电流-电压特性会转化为该器件的改进的电压灵敏度值。已经就其零偏置非线性对锗基反向隧道二极管进行了研究。尽管零偏置器件简化了探测器驱动器电路并将增加噪声(例如,闪变噪声)的情况减到最少,但是锗基反向二极管表现出了妨碍以合理的成本大批量生产具有功能容限器件的重大制造挑战。对于GaAS基平面掺杂势垒二极管来说,也存在类似的制造挑战。这里描述的示例性方法和装置包括用于毫米波平方律功率探测的InAs/AlSb/GaSb反向二极管。这里还部分描述了与之前已知的设计相比具有较低结电容、较低结电阻和较高曲率系数的异质结构设计。这里描述的示例性异质结构设计包括与较之前具有类似势垒厚度的器件的报告提高大约31%的曲率系数成正比的电压灵敏度。这些器件部分地依靠量子力学隧穿作为操作基础。因此,这种器件不受诸如上述公式2中所表达的一个或多个曲率限制。结电容也被减小了例如大约25%(即,9.5fF/μm²)。提高的灵敏度和减小的结电容部分是通过在示例性n-InAs阴极层中将1×10¹²cm^-2的示例性方块浓度与p型δ掺杂平面相结合而实现的。低电阻(因此约翰逊噪声也低)和高灵敏度的结合导致示例性共轭匹配源在94GHz下0.24pW/Hz^1/2的估计噪声等效功率(NEP),同时减小的电容促进宽带匹配并增大示例性探测器的截止频率。这些锑化物(Sb)基探测器有希望例如改进无源毫米波和亚毫米波成像系统的性能。使用零偏置平方律探测器对毫米波的直接探测由于减小了无外部偏置所导致的1/f噪声,因此对于无源成像应用来说尤其具有吸引力。与包括但不限于肖特基二极管、Ge反向二极管和GaAs平面掺杂势垒(PDB)二极管的替换方案相比,示例性InAs/AlSb/GaSb探测器展示了具有高灵敏度、高截止频率、低噪声和良好的温度依赖性的优良性能。尽管报导具有可调势垒高度的低势垒零偏置肖特基二极管探测器的频率很高,但是特别由于如上所述肖特基二极管的曲率(γ)通常受限于γ≤q/kT,因此这种二极管表现出比锑化物基隧道二极管强的随温度的灵敏度变化。在室温(T=300K)下,PDB或肖特基二极管的γ≤38.5V^-1。另一方面,这里描述的示例性隧穿探测器的曲率不受q/kT^q/kT的,并且之前的实证已经表明Ge基器件的曲率高达70V^-1。高曲率(γ)、低电容C_j和适度的结电阻R_j是产生低噪声探测器的一些示例性设计因素。已经通过将隧道势垒厚度从ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="100"/>减小到大约ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="78"/>而部分地实现了Sb异质结构探测器的R_j的减小。然而,单独减小势垒厚度也导致了曲率系数相应地从39V^-1降到32V^-1。下面将更详细地描述薄势垒Sb基毫米波探测器的性能特性,其中一些示例性异质结构设计表现出42.4V^-1的测量曲率γ。另外,通过这里描述的方法和装置实现了4200V/W的示例性测量未匹配灵敏度β_v,这与β_v=2Z_sγ的预期相一致。该示例性曲率超过了肖特基二极管的理论极限,并且可以在减小结电容C_j的同时实现。灵敏度和电容的改进可以通过将掺杂分布剪裁为在异质结构中包括p型非均匀(例如,δ掺杂平面、斜坡掺杂、脉冲掺杂等)以优化示例性器件内电荷载流子的分布来获得。示例性器件设计在不明显损及结电阻的情况下,增大了零偏置灵敏度并进一步减小了结电容。这种示例性特性特别适用于例如改进低噪声毫米波和亚毫米波探测器的性能。图1示出了在半绝缘GaAs衬底102上通过分子束外延(MBE)生长的示例性器件结构100。在GaAs缓冲层上生长示例性变质器件层,其具有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="160"/>的n⁺InAs(1.3×10¹⁹cm^-3)隧穿阳极接触层104、ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="132"/>的p⁺GaSb(1.3×10¹⁹cm^-3)阳极层106、ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="126"/>的未掺杂Al_0.1Ga_0..9Sb层108、ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="190"/>的未掺杂AlSb隧道势垒110、ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="103"/>的n-InAs间隔层(掺杂有1.4×10¹⁷cm^-3)112、Beδ掺杂平面(1×10¹²cm^-2)114、ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="132"/>的n-InAs(1.4×10¹⁷cm^-3)阴极层116,并以n⁺InAs(1.3×10¹⁹cm^-3)接触层118结束。在n-InAs阴极层116中接近示例性AlSb势垒110的位置处增加示例性完全耗尽的p型δ掺杂平面114,调整了隧道势垒110附近的能带弯曲以增强器件性能。示例性的ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="107"/>间隔层112将掺杂平面114与隧道势垒110隔开。可以但不限于采用混合及匹配电子束/光学光刻、通过蒸发和/或剥离的接触金属化、湿法化学台面蚀刻、和/或苯并环丁烯介电钝化和/或任何其它合适的制造方法来制造示例性锑化物基反向二极管。在图1示出的示例中,器件结构100的厚度是为了示例性目的而非限制目的提供的。在某些示例中,GaAs衬底102、隧穿阳极接触层104、阳极层106、未掺杂AlGaSb层108、隧道势垒110、间隔层112、阴极层116和/或接触层118可以采用更大或更小的厚度。此外,应该理解,层的厚度可以有与所述示例一致的值的范围。另外,示例性器件结构100的前述层的掺杂浓度是为了示例性目的而非限制目的提供的。一般而言,示例性隧道势垒110、未掺杂AlGaSb层108和阳极层106被称作锑化物(Sb)子结构120。另外,示例性阴极层116、掺杂平面114和间隔层112被称作阴极子结构122。尽管图1的示例性掺杂平面114包括铍δ掺杂平面,但是可以使用一种或多种替代性掺杂剂。此外,可以使用包括但不限于斜坡掺杂分布和/或脉冲掺杂分布的一种或多种替代非均匀掺杂分布。图2A示出了测量的诸如图1所示示例性器件100的、面积为0.85×0.85μm²的示例性器件的电流-电压和曲率特性200。在图2A示出的示例中,测得零偏置205下的结电阻R_j为3239Ω,高曲率为42.4V^-1。在图2A的插图210中比较了具有δ掺杂平面的探测器和除了具有均匀阴极掺杂外都相同的异质结构器件的电流密度-电压特性。图2A的示例性插图210被放大在图2B中,图2B示出了具有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="98"/>隧道势垒的Sb异质结构220(参见点划线)、具有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="73"/>隧道势垒的Sb异质结构222(参见虚线)和具有δ掺杂的ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="72"/>隧道势垒的Sb异质结构224(参见实线)之间的电流-电压比较。可以看出,在δ掺杂224(实线)的情况下,δ掺杂的异质结构(例如,探测器)的示例性前向电流(电子从n-InAs(例如,图1的间隔层112)隧穿到未掺杂Al_0.1Ga_0..9Sb层(例如,图1的未掺杂层108))被强烈抑制了,同时反向电流几乎维持不变,从而获得了改进的零偏置曲率。在操作中,示例性非均匀掺杂(例如,δ掺杂)平面114和Sb隧道势垒110通过增大零偏置点205两侧的电流比率来改进器件曲率。图3示出计算的均匀掺杂探测器314、316(虚线)和非均匀掺杂探测器302、306(实线)异质结构的能带图300。在图3示出的示例中,最上面的实线302表示非均匀掺杂(例如,δ掺杂)异质结构的导带,最上面的虚线304表示均匀掺杂异质结构的导带。图3所示示例还示出了,最下面的实线306表示非均匀掺杂异质结构的价带,最下面的虚线308表示均匀掺杂异质结构的价带。从图3的示例中还可以看出,完全耗尽的p型δ掺杂平面114的填加减小了隧道势垒110边缘处的InAs阴极的能带歪曲,并且将InAs的导带拉近费米能级E_f310。对于隧道二极管来说,能带对准的这种变化对前向电流的抑制比反向电流更强,从而促进了对曲率系数的改进。β_v=2Z_sγxa0xa0xa0(公式3)示例性公式3示出,由于在运行频率适当低于探测器的截止频率的典型近似内,灵敏度(β_v)近似地正比于改进的曲率系数(γ),因此器件100的灵敏度也得到了改进。除了改进灵敏度(β_v)之外,通过在示例性阴极子结构122中包含诸如δ掺杂平面的非均匀掺杂平面114,还可以实现较低的结电容C_j。结电容-偏置图400示于图4A中,图4A是从依赖于偏置的示例性片上s参数测量提取出的。在图4A示出的示例中,均匀掺杂器件412和/或非均匀掺杂器件414(例如,δ掺杂器件)的结电容(C_j)近似线性地依赖于(a)给定异质结构所施加的偏置和(b)给定异质结构的比电容。图4A部分示出了在一个示例中零偏置下的示例性δ掺杂探测器414为13fF/μm²,这比没有在阴极中进行δ掺杂的器件低大约25%。p型δ掺杂通过减少电子在InAs阴极116中靠近AlSb势垒110处的累积而部分地促进了低电容。p型δ掺杂的这种效果在图3的示例性能带图300中也很明显,在图3中,垂直线表示计算出的增量变化针对所施加偏置的小变化的质心。图4B示出了从片上s参数测量提取出的、作为器件面积420的函数的结电阻(R_j,参见线416)和结电容(C_j,参见线418)数据。暂时返回到图3,最左侧的实垂直线312表示示例性δ掺杂结构的增量电子分布的质心,并且最右侧的实垂直线314表示示例性δ掺杂结构的增量空穴分布的质心。另一方面,最左侧的虚垂直线316表示示例性均匀掺杂结构的增量电子分布的质心,并且最右侧的虚垂直线318表示示例性均匀掺杂结构的增量空穴分布的质心。通过将示例性δ掺杂结构质心(312和314)与示例性均匀掺杂结构质心(316和318)进行比较显示,示例性δ掺杂结构表现出空穴与电子电荷质心之间的间隔(W_ΔQ)更大。结果,在使用δ掺杂结构时,实现了比均匀掺杂结构更低的电容。相互一致的泊松/薛定谔计算显示,δ掺杂平面可以增大电子-空穴间隔,在一个示例中,电容减小了大约39%时,间隔从ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="131"/>增大到ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="149"/>这与所测量的电容的变化合理地一致。减小的电容可以提高固有截止频率f_c=1/(2πR_sC_j),并且还减小示例性探测器阻抗的电抗部分,并使得宽带匹配容易实现。在此表达式中,R_s为器件的串联电阻,串联电阻主要受接触电阻所限。对于δ掺杂器件来说,可以实现26Ω的示例性R_s,从而导致f_c=620GHz,这表示一个示例而非限制。换句话说,进一步改善这种接触电阻是可能的。下面在表1中示出了作为示例具有ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="96"/>厚的隧道势垒的均匀掺杂和δ掺杂结构的优点的关键数字的比较。ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="700"/>表1如表1中所示,示例性δ掺杂结构的结电阻从1230Ωμm²增大到2340Ωμm²。尽管R_j的这种增大导致热噪声的增大,但是因为β_v的增大大于增大的热噪声的抵消,因此总的探测器NEP增大了。如下面进一步详细描述的,还对δ掺杂探测器的毫米波性能进行了评估。图5示出测量的由1到110GHz的50ΩRF源所驱动的示例性探测器的片上电压灵敏度图500。该示例性源通过同轴偏置器和片上探针耦接到该器件,并且在偏置器的DC臂处测量探测器电压。在图5示出的示例中,低频电压灵敏度β_v为4200V/W,比之前报导的除了均匀掺杂阴极外都相同的器件的3200V/W提高了大约31%。利用依赖于偏置的s参数测量和图4的插图(410)所示示例性电路模型,提取出示例性非线性器件模型。在此示例性模型中,串联电感、焊盘电容和串联电阻与偏置无关,而结电阻和结电容随偏置变化。利用所测量s参数的电路模型的非线性最小二乘优化,并且在结电阻和串联电阻通过下面所示示例性公式4与测量的DCxa0I-V特性相关的附加约束下,找出这些参数。 ∂ I ∂ V = 1 ( R s + R f ) ]]>xa0xa0xa0(公式4)部分地基于前述电路模型的最小二乘优化,提取出12fF的C_p,65pH的L_p,26Ω的R_s,并且图4中示出了结电容(C_j)。如图5中所示,利用所提取的非线性模型预测的灵敏度对频率的依赖性与测量的灵敏度符合得很好。示例性电路模型的外推预测出400GHz下2000V/W的未匹配灵敏度。此频率响应的试验研究表明了Sb异质结构作为W带至Y带以及之外的探测器的潜力。利用示例性的50Ω源连同测得的s参数,根据测得的未匹配灵敏度预测出可通过在源与探测器之间包括无损匹配网络而获得的最优灵敏度β_opt。在此示例中,使用示例性共轭匹配源的低频β_opt计算出为8.0×10⁴V/W,并且在94GHz下为3.0×10⁴V/W。考虑到在实验上显示出针对小入射功率的热噪声限制的这些示例性器件,基于测得的结电阻估计出操作在94GHz下的探测器的对应噪声等效功率为0.24pW/Hz^1/2。这比典型的均匀掺杂阴极器件的NEP提高了大约17%。高灵敏度和低噪声的结合使得这里所述的示例性Sb异质结构探测器有希望用于无RF前置放大的无源毫米波成像传感器。表2示出图2B所示三种示例性异质结构的优点的附加示例性数字,其中,针对以理想带通无损匹配网络匹配的灵敏度计算94GHz下的噪声等效温度差(NETD)。这些数字是来自所制造的器件的示例性数据,并不暗含基本的限制,但是确实示出了示例性观测趋势。ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>表2如表2所示,具有Sb隧道势垒的诸如δ掺杂的非均匀掺杂的实现,打破了之前结电阻(R_j)与曲率(γ)之间紧密联系的平衡。表2中,为了易于比较,曲率(γ)已经被归一化为获取的ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="97"/>势垒器件的值。通过引入δ掺杂,提高了曲率同时维持了较低的R_j值。具有改进的异质结构设计的示例性InAs/AlSb/GaSb反向二极管探测器表现出了42.4V^-1的高曲率和减小的电容。这对应于4200V/W的未匹配灵敏度,超出了肖特基二极管的理论极限。这里所述的示例性探测器的提高的灵敏度和减小的结电容源自于示例性修改的器件异质结构,该结构在n-InAs阴极层中合并了具有1×10¹²cm-²方块浓度的完全耗尽的p型δ掺杂平面。高灵敏度和低结电阻针对共轭匹配源产生了94GHz下0.24pW/Hz^1/2的估计NEP,这使其有希望成为无RF前置放大的、室温下的无源成像传感器的候选。另外,具有此异质结构的示例性探测器具有减小的结电容,这提供了通过Y带以及之外进行操作的潜力。尽管这里描述了某些示例性方法和装置,本专利所覆盖的范围并不限于此。相反,本专利覆盖确切地落入所附权利要求书的字面或等同教导的范围内的所有方法和装置。