CN102629637B - 一种含量子级联结构的波长上转换器件 - Google Patents
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Abstract
一种含量子级联结构的波长上转换器件，属于半导体材料和器件制作领域，其特征在于：所述波长上转换器件的核心结构包括光吸收层、量子级联载流子输运区、发光层，光吸收层量子阱中的子带跃迁能量对应于红外光子能量，该能量小于发光区量子阱中的带间跃迁能量；量子级联载流子输运区位于光吸收层和发光层之间，由多个量子阱组成，且各量子阱中的电子能级能量逐个降低。在一定偏压下，光吸收层量子阱中电子的第一激发态波函数与量子级联载流子输运区的注入态波函数高度重叠，光生电子在其处于激发态上的寿命之内将从吸收层量子阱隧穿到量子级联载流子输运区相邻量子阱中的注入态能级，进而被级联输运到发光层。本发明可用于红外弱光的探测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料和器件制作领域，具体涉及一种可用于红外光探测的含有量子级联结构的波长上转换器件。
背景技术
红外探测技术具有非常重要的实用价值，在环境监控、气象预报、天文观测、热成像以及军事领域中有着广泛的应用。目前，主流的红外光探测器有：基于半导体HgCdTe的红外探测器、基于窄禁带半导体InSb的红外探测器、基于量子阱子带间跃迁的量子阱红外探测器(QWIP)、基于量子点子带间跃迁的量子点红外探测器(QDIP)以及量子级联红外探测器(QCD)。其中，HgCdTe及InSb红外探测器的制作技术比较成熟，探测率较高，暗电流较低。然而由于其在材料生长上存在较大困难，大面积的均匀性一直不甚理想，从而限制了其在焦平面阵列(FPA)红外光探测器中的应用(E.Theocharous，et al.A comparison of the performanceof a photovoltaic HgCdTe detector with that of large area single pixel QWIPs forinfrared radiometric applications，Infrared Physics&Technology 46(2005)309-322)。对于QWIP和QDIP而言，其材料的生长技术成熟，适合制作大面积、多色的红外光探测器。然而，由于QWIP和QDIP普遍需要工作在较大的偏压下才能获得比较理想的探测率，这严重限制了其暗电流水平及工作温度(B.F.Levine，Quantum-well infraredphotodetectors，J.Appl.Phys.，Vol.74，No.8，15October 1993)。对于QCD而言，其通过巧妙的能带设计，可大大减小了器件的工作偏压，甚至可以实现零偏压工作。然而，由于其较低的光子-电流转换效率以及低能级间不必要的跃迁，导致现有QCD的器件性能普遍低于QWIP(L.Gendron，et al.Quantum Cascade Detection，Proc.SPIE 5612，63(2004))。
发明内容
本发明提出了一种含量子级联结构的波长上转换器件，目的是解决现有探测器中偏压与探测效率、暗电流之间的矛盾。通过将波长上转换和量子级联隧穿输运结合起来，可降低探测器的暗电流，提高探测器的探测率。
本发明提出一种含量子级联结构的波长上转换器件，包括：衬底、下电极接触层、下过渡层、光吸收层、量子级联载流子输运区、发光层、上过渡层、上电极接触层，其特征在于：所述的光吸收层量子势阱中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差对应于红外光子能量，该能量小于发光区量子势阱中的电子基态能级与空穴基态能级之间的能量差；量子级联载流子输运区位于光吸收层和发光层之间，由多个量子阱组成，且各量子阱中的电子能级能量逐个降低。
所述量子级联载流子输运区的量子阱数目为1～500，厚度为0.2～20nm，量子阱之间的势垒厚度为0.2～20nm。
所述光吸收层为多层量子阱、多层量子点或超晶格结构之一，层数为1～500。
所述发光层为多层量子阱、多层量子点或超晶格结构之一，层数为1～500。
以上所述量子阱、量子点或超晶格材料为以下各材料体系中的任意一种：铝镓铟砷、铝镓铟磷、铝镓铟砷锑、铝镓铟砷磷、铝镓铟氮、硅锗。
所述衬底是下列各材料中的任意一种：砷化镓、磷化铟、锑化镓、硅、锗、氮化镓、氮化铝、碳化硅、蓝宝石，衬底厚度为10～600μm；衬底的一个侧面制成45°的斜面，或者在其表面制作一维或二维光栅，光栅周期为0.1～100μm。
在本发明中，光吸收层量子阱中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差对应于红外光子能量，且该电子激发态能级低于势垒层导带，发光层电子-空穴复合发出的光子能量大于吸收的红外光子能量，且对应的光波长位于具有极低暗计数的Si-APD、SiC-APD或PMT等光探测器的响应波长之内。利用重掺杂或光泵浦的方法使光吸收层势阱中基态电子能级填满电子，当红外光入射时，基态能级上的电子在吸收红外光子后跃迁到激发态能级。在一定偏压下，光生电子可以隧穿到量子级联载流子输运区的注入能级。由于量子级联载流子输运区各个激发态能级间的能量差等于纵光学声子能量的整数倍，故隧穿寿命远小于光吸收区子带间的复合寿命，光生电子可以通过级联隧穿迅速输运到发光层。该结构可以显著减小到达发光层的电子的反向隧穿几率，使得电子反向隧穿寿命远大于发光层导带-价带间的辐射复合寿命，从而显著提高器件的量子效率。同时，由于采用了量子级联输运，使得器件工作所需偏压明显降低，从而降低器件的暗电流。另一方面，在QCD中，由于所探测的电流信号来自从量子级联输运区隧穿到导带中的电子，在小偏压下，量子效率较低。在本发明中，由于采用了波长上转换结构，光生电子通过量子级联载流子输运区到达发光层并直接进行可见光的辐射复合，无需隧穿到导带，从而进一步提高了器件的量子效率。
为进一步说明本发明的特征和作用，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明：
图1为含量子级联结构的2.8μm红外波长上转换件器件的截面示意图。
100-光栅结构，102-GaAs衬底，104-GaAs过渡层，106-n型GaAs下电极接触层，107-Al0.65Ga0.35As过渡层，108-2.8μm红外光吸收层，110-量子级联载流子输运区，112-发光层，113-Al0.65Ga0.55As过渡层，114-p型GaAs上电极接触层。
图2为1.8V偏压下含量子级联结构的2.8μm红外波长上转换器件的能带图。
200-电子准费米能级，202-空穴准费米能级。
图3为1.8V偏压下含量子级联结构的2.8μm红外波长上转换器件有源区(吸收层、量子级联载流子输运区、发光层)能带及波函数分布图。
300-发光层重空穴基态能级波函数，302-吸收层电子基态波函数，304-发光层电子基态波函数，306-有源区第一激发态波函数，308-有源区第二激发态波函数，310-有源区第三激发态波函数，312-有源区第四激发态波函数，314-有源区第五激发态波函数，316-有源区第六激发态波函数，318-有源区第七激发态波函数。
图4为含量子级联结构的4.1μm红外波长上转换器件的截面示意图。
400-GaAs衬底，402-GaAs过渡层，404-n型GaAs下电极接触层，405-Al0.55Ga0.45As过渡层，406-4.1μm红外光吸收层，408-量子级联载流子输运区，410-发光层，411-Al0.55Ga0.45As过渡层，412-p型GaAs上电极接触层。
图5为1.9V偏压下含量子级联结构的4.1μm红外波长上转换器件的能带图。
500-电子准费米能级，502-空穴准费米能级。
图6为1.9V偏压下含量子级联结构的4.1μm红外波长上转换器件有源区(吸收层、量子级联载流子输运区、发光层)能带及波函数分布图。
600-吸收层电子基态波函数，602-发光层电子基态波函数，604-有源区第一激发态波函数，606-有源区第二激发态波函数，608-有源区第三激发态波函数，610-有源区第四激发态波函数，612-有源区第五激发态波函数，614-有源区第六激发态波函数。
具体实施方式：
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
图1所示为本实例所述的含量子级联结构的2.8μm红外波长上转换器件的截面图，该结构利用典型的半导体材料外延技术如分子束外延技术、金属有机化学气相沉积技术等，在GaAs衬底上依次生长而成。GaAs衬底上的光栅结构是利用半导体加工工艺制作而成。
其中，100为光栅结构，用于将垂直表面入射的红外光转化为可被吸收层量子阱子带吸收的成分，102为GaAs衬底，104为2μm GaAs过渡层，106为100nm n型GaAs下电极接触层，107为20nm Al0.65Ga0.35As过渡层，108为4.0nm In0.45Ga0.55As量子阱红外光吸收层，在量子阱与两侧的Al0.65Ga0.35As势垒层之间各有0.5nm的GaAs插入层，110为量子级联载流子输运区，由多个不同阱宽的量子阱构成，在本实施例中，共有5个GaAs量子阱，其阱宽依次为1.8nm、2.0nm、2.3nm、2.6nm和3.0nm，量子阱间的6个Al0.65Ga0.35As势垒层的垒宽依次为3.0nm、2.0nm、2.0nm、2.0nm、2.0nm和2.0nm，112为4.0nm In0.15Ga0.85As量子阱发光层，在In0.15Ga0.85As量子阱与两侧的Al0.65Ga0.35As势垒层之间各有2.0nm的GaAs过渡层，113为Al0.65Ga0.55As过渡层，114为p型GaAs上电极接触层。
本实例所述的含量子级联结构的2.8μm红外波长上转换器件的能带结构如图2所示。200为电子准费米能级，202为空穴准费米能级。106所示的100nm n型GaAs下电极接触层掺Si浓度为2×1018cm-3，108所示的4nm In0.45Ga0.55As量子阱红外光吸收层掺Si浓度为1.5×1018cm-3，114所示的p型GaAs上电极接触层掺B浓度为4×1018cm-3。
图3为本实例所述的含量子级联结构的2.8μm红外波长上转换器件有源区的能带及波函数分布图。300为发光层重空穴基态波函数，302为吸收层电子基态波函数，304为发光层电子基态波函数，306为有源区第一激发态波函数，308为有源区第二激发态波函数，310为有源区第三激发态波函数，312为有源区第四激发态波函数，314为有源区第五激发态波函数，316为有源区第六激发态波函数，318为有源区第七激发态波函数。
以下结合图3详细说明有源区结构层的设计依据及该器件的工作原理。108所示的In0.45Ga0.55As量子阱吸收层掺Si浓度为1.5×1018cm-3，阱宽4nm，该量子阱相对于输运区各量子阱的宽度为最宽，且输运区五个量子阱宽度逐渐加宽，依次为1.8nm、2.0nm、2.3nm、2.6nm和3.0nm。从图3中可以看出，吸收层电子基态波函数与有源区第六激发态(吸收层第一激发态)波函数主要分布在吸收层的量子阱中，且这两个能级间的振动强度为0.9179，能量差为0.443eV，说明吸收层中处于基态能级的电子吸收2.8μm波长的红外光子后会以极大的概率跃迁到有源区第六激发态能级上。在外加1.8V偏压的作用下，有源区第六激发态波函数与第七激发态(量子级联载流子输运区注入态)波函数高度重叠，因此光生电子在其处于激发态上的寿命之内将从吸收层量子阱隧穿到输运区相邻量子阱中的注入态能级上。从输运区到发光层的各量子阱阱宽逐渐加宽，因此输运区各量子阱中的电子能级能量逐个降低，且相邻量子阱中的电子能级能量差为纵光学声子的整数倍，光生电子通过隧穿迅速释放能量弛豫到下一个量子阱中的电子能级上。电子输运过程如图3中箭头所示，最终光电子输运到发光层电子基态能级上，该能级与发光层重空穴基态能级间的振动强度为0.9363，能量差为1.455eV，因此位于发光层电子基态能级的电子有很大的概率和重空穴基态能级上的空穴复合，发出可被Si-APD探测的852nm波长的光子。输运区采用量子级联隧穿结构，电子很难反向隧穿回去，因此能有效提高红外光的响应率和大大降低暗电流。利用该器件进行微弱的2.8μm红外光子探测，可实现暗记数小于3000cps。
实施例2
图4所示为本实例所述的含量子级联结构的4.1μm红外波长上转换器件的截面图，该结构利用典型的半导体材料外延技术如分子束外延技术、金属有机化学气相沉积技术等，在GaAs衬底上依次生长而成。由于红外光的吸收采用子带跃迁，即只能吸收入射光的TM极化分量，因此在GaAs衬底的底面一侧形成一45°的斜面，以获得光的偏振方向有垂直于外延生长平面的分量。同时，在这种结构下，入射的红外光可以在样品内进行多次全反射，从而大大增加了器件的吸收效率。
其中，400为GaAs衬底，402为2μm GaAs过渡层，404为100nm n型GaAs下电极接触层，405为20nm Al0.55Ga0.45As过渡层，406为5.0nm In0.28Ga0.72As量子阱红外光吸收层，在量子阱与两侧的Al0.55Ga0.45As势垒层之间各有0.5nm的GaAs插入层，408为光电子输运区，该区采用量子级联结构，由多个不同阱宽的量子阱及各量子阱间的势垒层构成，在本实施例中，共有5个GaAs量子阱，其阱宽依次为2.6nm、2.7nm、3.0nm、3.3nm和3.6nm，6个Al0.55Ga0.45As势垒层的垒宽依次为3.0nm、2.0nm、2.0nm、2.0nm、2.0nm和2.0nm，410为4.0nm In0.15Ga0.85As量子阱发光层，在In0.15Ga0.85As量子阱与两侧的Al0.55Ga0.45As势垒层之间各有2.0nm的GaAs过渡层，411为Al0.55Ga0.45As过渡层，412为p型GaAs上电极接触层。
本实例所述的含量子级联结构的4.1μm红外波长上转换器件的能带结构如图5所示。500为电子准费米能级，502为空穴准费米能级。404所示的100nm n型GaAs下电极接触层掺Si浓度为2×1018cm-3，406所示的5.0nm In0.28Ga0.72As量子阱吸收层掺Si浓度为1.0×1018cm-3，412所示的p型GaAs上电极接触层掺B浓度为4×1018cm-3。
本实例所述的含量子级联结构的4.1μm红外波长上转换器件有源区的能带及波函数分布如图6所示。600为吸收层电子基态波函数，602为发光层电子基态波函数，604为有源区第一激发态波函数，606为有源区第二激发态波函数，608为有源区第三激发态波函数，610为有源区第四激发态波函数，612为有源区第五激发态波函数，614为有源区第六激发态波函数。
以下结合图6详细说明有源区结构层的设计依据及器件的工作原理。406所示的In0.28Ga0.72As量子阱吸收层掺Si浓度为1.5×1018cm-3，阱宽5.0nm，该量子阱相对于输运区各量子阱的宽度为最宽，且输运区五个量子阱宽度逐步加宽，依次为2.6nm、2.7nm、3.0nm、3.3nm和3.6nm。从图6中可以看出，吸收层电子基态波函数与有源区第六激发态(吸收层第一激发态)波函数主要分布在吸收层的量子阱中，且这两个能级间的振动强度为0.8883，能量差为0.301eV，说明吸收层中处于基态能级的电子吸收4.1μm波长的红外光子后会以极大的概率跃迁到有源区第六激发态能级上。在外加1.9V偏压的作用下，有源区第六激发态波函数与第五激发态(量子级联载流子输运区注入态)波函数高度重叠，因此光生电子在其处于激发态上的寿命之内从吸收层量子阱隧穿到输运区相邻量子阱中的注入态能级上。从输运区到发光层的各量子阱阱宽逐渐加宽，因此输运区各量子阱中的电子能级能量逐个降低，且相邻量子阱中的电子能级能量差为纵光学声子的整数倍，光生电子通过隧穿迅速释放能量弛豫到下一个量子阱中的电子能级上。电子输运过程如图6中箭头所示，最终光电子输运到发光层电子基态能级上，该能级与发光层重空穴基态能级间的振动强度为0.9334，能量差为1.46eV，因此位于发光层电子基态能级上的电子有很大的概率和重空穴基态能级上的空穴复合，发出可被Si-APD探测的849nm波长的光子。输运区采用量子级联隧穿结构，电子很难反向隧穿回去，因此能有效提高红外光的响应率和大大降低暗电流。
Claims (6)
1.一种含量子级联结构的波长上转换器件，包括：衬底、下电极接触层、下过渡层、光吸收层、量子级联载流子输运区、发光层、上过渡层、上电极接触层，其特征在于：所述的光吸收层量子势阱中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差对应于红外光子能量，该能量小于发光区量子势阱中的电子基态能级与空穴基态能级之间的能量差；量子级联载流子输运区位于光吸收层和发光层之间，由多个量子阱组成，且各量子阱中的电子能级能量逐个降低；在一定偏压下，光吸收层量子阱中电子的第一激发态波函数与量子级联载流子输运区的注入态波函数高度重叠，光生电子在其处于激发态上的寿命之内将从吸收层量子阱隧穿到量子级联载流子输运区相邻量子阱中的注入态能级，进而被级联输运到发光层。
2.根据权利要求1所述的波长上转换器件，其特征在于：所述量子级联载流子输运区的量子阱数目为1～500，厚度为0.2～20nm，量子阱之间的势垒厚度为0.2～20nm。
3.根据权利要求1所述的波长上转换器件，其特征在于：所述光吸收层为多层量子阱、多层量子点或超晶格结构之一，层数为1～500。
4.根据权利要求1所述的波长上转换器件，其特征在于：所述发光层为多层量子阱、多层量子点或超晶格结构之一，层数为1～500。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的波长上转换器件，其特征在于：所述量子阱、量子点或超晶格材料为以下各材料体系中的任意一种：铝镓铟砷、铝镓铟磷、铝镓铟砷锑、铝镓铟砷磷、铝镓铟氮、硅锗。
6.根据权利要求1所述的波长上转换器件，其特征在于：所述衬底是下列各材料中的任意一种：砷化镓、磷化铟、锑化镓、硅、锗、氮化镓、氮化铝、碳化硅、蓝宝石，衬底厚度为10～600μm；衬底的一个侧面制成45°的斜面，或者在其表面制作一维或二维光栅，光栅周期为0.1～100μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |