CN102790100A - 一种基于中间能带的InSb量子点多色红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于中间能带的InSb量子点多色红外探测器，所述红外探测器由下到上依次包括：锑化镓（GaSb）或砷化铟(InAs)材料的衬底、InAs材料的底接触层、量子点层和InAs材料的顶接触层，其中，所述量子点层包括一层或多层的锑化铟（InSb）量子点层以及相应的InAs间隔层，每层InSb量子点层的上下均设置有InAs间隔层；所述InSb量子点层为不掺杂或P型掺杂。根据InSb量子点的掺杂与否以及间隔层材料的选择，本发明的多色红外探测器可实现基于半导体带间跃迁的中波/短波、长波/短波乃至长波/中波/短波的多色红外探测。
Description
技术领域
本发明涉及多色红外探测器芯片结构，尤其涉及一种基于中间能带的InSb（锑化铟）量子点多色红外探测器。
背景技术
多色红外探测能力是目前第三代红外焦平面阵列的重要特征之一。目前有能力实现多色红外探测的技术手段包括碲镉汞红外探测器、量子阱红外探测器和超晶格红外探测器等。由于碲镉汞红外探测器的高成本和低均匀性问题、量子阱红外探测器的低量子效率问题以及超晶格红外探测器的高暗电流和不成熟的器件加工工艺等问题，使得目前大规模多色红外焦平面阵列的制备仍为产业界面临的难题。
利用量子阱等低维半导体材料的子能级之间的跃迁实现红外探测，主要原因在于自然界中的窄禁带半导体材料数量很少。对于III/V族化合物半导体而言，只有InSb材料可在3～5微米波段处实现红外响应，而在8～12微米波段尚无合适的材料。因此人们考虑利用量子点、量子阱和超晶格等材料实现长波红外的响应。量子点红外探测器近年来在国内外被深入地研究，尽管其具有正入射响应、暗电流较低和可利用成熟的III/V族化合物半导体加工工艺等优点，但由于其利用低维半导体材料中的子带间跃迁实现红外光子的光电转化，其吸收系数低于碲镉汞和超晶格红外探测器，导致该类探测器的量子效率明显偏低。因此，高性能的多色红外探测器用材料目前仍是国内外研究的热点。
发明内容
本发明针对现有技术的红外探测器的效率较低的问题，提出一种基于中间能带的InSb量子点多色红外探测器，以实现具有高性能的多色红外探测能力。
为了解决上述问题，本发明提供一种基于中间能带的InSb量子点多色红外探测器，所述红外探测器由下到上依次包括：锑化镓（GaSb）或砷化铟(InAs)材料的衬底、InAs材料的底接触层、量子点层和InAs材料的顶接触层，其中，所述量子点层包括一层或多层的锑化铟（InSb）量子点层以及相应的InAs间隔层，每层InSb量子点层的上下均设置有InAs间隔层；所述InSb量子点层为不掺杂或P型掺杂。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
所述量子点层包含1～100层InSb量子点层。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
InSb量子点层的量子点密度范围为1×1010cm-2～5×1012cm-2，每层的厚度为1.7～2.7单原子层。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
当所述InSb量子点层为P型掺杂时，掺杂浓度为1×1011cm-2～8×1013cm-2。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
所述InAs间隔层为不掺杂的InAs材料，厚度为10～300nm。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
所述顶接触层为N型，底接触层为P型；或者，所述顶接触层为P型，底接触层为N型。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
所述红外探测器还包括上电极和下电极，所述上电极位于所述顶接触层之上；所述下电极位于底接触层的台面上。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
对于所述InSb量子点层为不掺杂的红外探测器，利用InSb量子点的价带向InAs间隔层的导带间的间接跃迁实现3~5μm的中波红外探测，利用InAs间隔层实现1~3μm的短波红外探测。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
对于所述InSb量子点层为P型掺杂的红外探测器，通过向InSb量子点中进行P型掺杂形成中间能带，利用InAs间隔层中价带与量子点中间能带之间的光跃迁实现基于带间跃迁的长波红外探测，同时InAs间隔层亦能够完成在短波红外波段上的光响应。
优选地，上述红外探测器还具有以下特点：
在短波、中波和长波红外波段范围内的光电响应完全通过半导体材料价带、导带、量子点形成的中间带之间的跃迁完成，没有量子化的子能级参与其中。
本发明的多色红外探测器的中波和长波红外响应均通过半导体材料的带间跃迁完成，可实现高量子效率的长波红外探测。根据InSb量子点的掺杂与否以及间隔层材料的选择，该多色红外探测器可实现基于半导体带间跃迁的中波/短波、长波/短波乃至长波/中波/短波的多色红外探测。
附图说明
图1为本发明实施例的InSb量子点多色红外探测器的器件结构示意图；
图2为本发明实施例的非故意掺杂短波/中波InSb/InAs量子点红外探测器能带结构示意图；
图3为本发明实施例的故意掺杂短波/长波InSb/InAs量子点红外探测器能带结构示意图。
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
半导体量子点被认为是一种可以有效实现中间能带的材料。利用自组织生长的InAs量子点材料的中间能带特性已在太阳能电池领域获得了证实。而利用半导体量子点可形成中间能带这一特性，将突破自然界中现存窄禁带半导体材料数量稀少的限制，制备出基于带间跃迁的高性能长波红外探测器。
如图1所示，本发明实施例的红外探测器由下到上依次包括：
（1）锑化镓（GaSb）或砷化铟(InAs)材料的衬底1，其导电类型不限。
（2）InAs材料的底接触层2，该接触层生长于上述衬底上，采用重N型（或P型）掺杂形式以实现与电极的欧姆接触，其掺杂浓度范围在1×1017cm-3～5×1018cm-3。
（3）量子点层，包括一层或多层的锑化铟（InSb）量子点层4和相应的InAs间隔层3，每层InSb量子点层4的上下均设置有InAs间隔层3。
如图1所示，底接触层2上生长的非故意掺杂（即不掺杂）的InAs间隔层3为InSb量子点的基体，同时亦可以形成在短波红外波段的光响应。
所述量子点层可包含1～100层InSb量子点层4，每层InSb量子点层4的上、下均有一层间隔层3，即有1～100周期的InSb量子点层4和间隔层3。也即InSb量子点层4为N层，间隔层3为N＋1层，其中N为整数，1≤N≤100。
量子点生长于上述非故意掺杂的InAs间隔层3上，用于中波红外探测的InSb量子点层不掺杂，用于长波红外探测的InSb量子点层进行P型掺杂，掺杂浓度为1×1011cm-2～8×1013cm-2。
优选地，InSb量子点层4的量子点密度范围为1×1010cm-2～5×1012cm-2，每层的厚度为1.7～2.7单原子层。
InAs间隔层3为不掺杂的InAs材料，其厚度通常为10～300nm。
InSb量子点层4的生长温度为400～520°C，InAs间隔层3的生长温度400～540°C。
（4）InAs材料的顶接触层5，该顶接触层制作在上述量子点层之上，采用P型（或N型掺杂）用于与电极之间实现欧姆接触，其掺杂浓度范围在1×1017cm-3～5×1018cm-3。
（5）电极，包括上电极6，该上电极6制备于顶接触层5之上；以及，下电极7，该下电极7制备于底接触层2的台面上。
本发明实施例的中间能带量子点红外探测器可利用分子束外延设备制备，依次生长200～1000纳米厚的InAs或GaSb衬底1，随后生长200～500纳米的底接触层2，1～100个周期的量子点层，量子点层包括10～300纳米厚的InAs间隔层3和1.7～2.7单原子层厚的InSb量子点层4，然后生长200～500纳米的顶接触层5。
器件生长完成后，通过光刻和刻蚀等工艺制作台面，台面上分别制作上电极6和下电极7于顶接触层5和底接触层2上。
其中底接触层2为N型或P型掺杂，掺杂浓度范围在1×1017～5×1018cm-3范围内；
顶接触层5为P型或N型掺杂，掺杂浓度范围在1×1017～5×1018cm-3范围内；
InAs间隔层3不掺杂，其厚度范围在10～300纳米之间；
InSb量子点层4可以选择不掺杂或P型掺杂。
如图2所示，当InSb量子点层不掺杂时，量子点的价带与InAs间隔层导带之间的带间跃迁将实现器件的中波红外（3～5微米）的红外光信号响应，InAs间隔层的带间跃迁还可同时完成1~3μm的短波红外响应。
如图3所示，当InSb量子点层进行P型掺杂时，InSb量子点层形成中间能带，该中间能带参与的InAs间隔层价带至中间带或中间带至InAs间隔层导带之间的光跃迁，可以完成带间的长波红外光谱响应。另外，InAs间隔层的带间跃迁还可同时完成短波红外响应。
在短波、中波和长波红外波段范围内的光电响应完全通过半导体材料价带、导带、量子点形成的中间带之间的跃迁完成，没有量子化的子能级参与其中。
如上所述，当InSb量子点层不掺杂时，该探测器可实现短波/中波红外探测；当InSb量子点层进行P型掺杂时，该探测器可实现短波/长波红外探测；当该探测器同时具有不掺杂的InSb量子点层以及P型掺杂的InSb量子点层时，该探测器可实现短波/中波/长波红外探测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于中间能带的InSb量子点多色红外探测器，其特征在于，所述红外探测器由下到上依次包括：锑化镓（GaSb）或砷化铟(InAs)材料的衬底、InAs材料的底接触层、量子点层和InAs材料的顶接触层，其中，所述量子点层包括一层或多层的锑化铟（InSb）量子点层以及相应的InAs间隔层，每层InSb量子点层的上下均设置有InAs间隔层；所述InSb量子点层为不掺杂或P型掺杂。
2.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述量子点层包含1～100层InSb量子点层。
3.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，InSb量子点层的量子点密度范围为1×1010cm-2～5×1012cm-2，每层的厚度为1.7～2.7单原子层。
4.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，当所述InSb量子点层为P型掺杂时，掺杂浓度为1×1011cm-2～8×1013cm-2。
5.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述InAs间隔层为不掺杂的InAs材料，厚度为10～300nm。
6.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，所述顶接触层为N型，底接触层为P型；或者，所述顶接触层为P型，底接触层为N型。
7.如权利要求1～6中任意一项所述的红外探测器，其特征在于，所述红外探测器还包括上电极和下电极，所述上电极位于所述顶接触层之上；所述下电极位于底接触层的台面上。
8.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，对于所述InSb量子点层为不掺杂的红外探测器，利用InSb量子点的价带向InAs间隔层的导带间的间接跃迁实现3~5μm的中波红外探测，利用InAs间隔层实现1~3μm的短波红外探测。
9.如权利要求1所述的红外探测器，其特征在于，对于所述InSb量子点层为P型掺杂的红外探测器，通过向InSb量子点中进行P型掺杂形成中间能带，利用InAs间隔层中价带与量子点中间能带之间的光跃迁实现基于带间跃迁的长波红外探测，同时InAs间隔层亦能够完成在短波红外波段上的光响应。
10.如权利要求8或9所述的红外探测器，其特征在于，在短波、中波和长波红外波段范围内的光电响应完全通过半导体材料价带、导带、量子点形成的中间带之间的跃迁完成，没有量子化的子能级参与其中。
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