CN103247675B - 具备光电转换和放大功能的异质结三极管 - Google Patents

Abstract

具备光电转换和放大功能的异质结三极管，属于红外探测技术领域。所述异质结三极管包括N⁺型GaAs衬底，在衬底表面依次生长的P型GaAS层、N型InSb或 N型InAs/GaSb超晶格层，以及设置在N型InSb或 N型InAs/GaSb超晶格层之上的透明电极层，在衬底的底部和透明电极层的上部分别设置有金属引线。本发明的红外探测用异质结晶体三极管，可采用分子束外延设备来生产，该设备通过提供极高的真空度，保证了器件制备过程的无污染，从而获得优异的半导体器件性能。使用本发明的异质结三极管，则红外光探测和电信号的初级放大就由一个器件来完成，避免了弱信号的传输，从而使得躁声降低，这对于提高器件的光电响应性能是十分有利的。

Description

具备光电转换和放大功能的异质结三极管

技术领域

本发明属于红外探测技术领域，涉及一种异质结晶体三极管，具体涉及一种具备光电转换和放大功能的异质结三极管。

背景技术

目前在进行红外探测时一般均采用光伏或光导结构，也有利用光-热-电转换的，如VO₂等材料，但其反应速度很慢。而光伏和光导结构用光量子激发直接产生载流子，反应时间在微妙级。

与光伏结构相比，光导结构就是一个光敏电阻，其躁声较大，灵敏度较低。

光伏结构（PN结或PIN结构）直接把入射的光量子转化为载流子，但该结构本身没有放大环节，一般是用另外的放大器进行放大，其间的弱信号传输易于受到干扰从而使燥声加大。如果能把InSb等窄带隙材料制备成具有放大功能的三极管结构，则就能同时具备光电转化和放大的双重功能，但由于InSb的本征载流子浓度太高使得该材料的晶体三极管不容易制造出来。目前最容易制备晶体三极管的材料是Si，其次是Ge（带隙稍窄）和GaAs(带隙稍宽)。

如果把容易制备晶体三极管的材料（Ge,Si或GaAs）与能够进行红外探测的材料（InSb）结合起来，则就能利用两种材料各自的优点，从而制备出异质结晶体三极管。

发明内容

本发明的目的是将容易制备晶体三极管的材料（Ge,Si或GaAs）与能够进行红外探测的材料（InSb）结合起来，进而提供一种同时具备光电转换和放大功能的异质结三极管。

本发明的异质结三极管包括衬底，在衬底表面依次生长的与衬底材料相同的P型层、N型InSb或N型InAs/GaSb超晶格层，以及设置在N型InSb或N型InAs/GaSb超晶格层之上的透明电极层，在衬底的底部和透明电极层的上部分别设置有金属引线。

上述结构中，所述衬底的材料为N⁺型GaAS、N⁺型Si或N⁺型Ge等晶体材料，在其上生长的P型层的材料应与衬底的材料相对应，即：当衬底为N⁺型GaAS，在其上生长P型GaAS；当衬底为N⁺型Si，在其上生长P型Si；当衬底为N⁺型Ge，在其上生长P型Ge。

上述结构中，所述衬底的掺杂浓度应在10²⁰个原子/cm³左右；P型层的掺杂浓度在10¹⁸个原子/cm³左右，InSb或InAs/GaSb超晶格层的掺杂浓度应在10¹⁸个原子/cm³左右。

当上述掺杂浓度若有变化，则将导致所述三极管性能的变化。所述衬底的N型掺杂浓度与P型掺杂浓度之比决定异质结三极管的最大可能放大倍数，实际的放大倍数还受到P型GaAS层材料厚度的影响。

本发明的红外探测用异质结晶体三极管，可采用分子束外延设备来生产，该设备通过提供极高的真空度，保证了器件制备过程的无污染，从而获得优异的半导体器件的性能。使用本发明的异质结三极管，则红外光探测和电信号的初级放大就由一个器件来完成，避免了弱信号的传输，从而使得躁声降低，这对于提高器件的光电响应性能是十分有利的。

附图说明

图1为本发明的异质结三极管结构，图2为本发明的异质结晶体三极管能带图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式中的异质结三极管结构包括衬底101，若采用N⁺型GaAS衬底，则用分子束外延等方法在其表面上生长一薄层P型GaAS102，再生长一薄层N型InSb或N型InAs/GaSb超晶格103，若采用InAs/GaSb超晶格则可以探测更长的波长，最后在N型InSb或N型InAs/GaSb超晶格103上制备透明电极层104，在衬底101的底部和透明电极层104的上部分别设置有金属引线105，用于连接正负极。

上述结构中，所述衬底的掺杂浓度应在10²⁰个原子/cm³左右；P型GaAs的掺杂浓度在10¹⁸个原子/cm³左右，InSb或InAs/GaSb超晶格层的掺杂浓度应在10¹⁸个原子/cm³左右。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述异质结三极管结构中，在P型GaAS上生长一薄层N型InS。

如图2所示，图中P型GaAs和N⁺GaAs构成一个PN结，若N⁺GaAs的掺杂浓度是P型GaAs的100倍，则当该PN结流过正向电流时，若有一个空穴从P型GaAs流向N⁺GaAs，则就将有约100个电子从N⁺GaAs流向P型GaAs。图中的3区和4区是来自P型GaAs的空穴和来自N⁺GaAs的电子互扩散形成的空间电荷区。

现在来讨论左侧的异质结，若是本征GaAs和InSb相接触，则由于费米能级的关系，InSb的能带将处于GaAs能带的中部。但是由于这里是P型GaAs，界面两侧空穴的势差和浓度差将使空穴流向InSb，由于得到了正电荷，InSb的能带将下移，当外界再施加适当电压时，就得到了图2所示的能带结构。图中1区和2区是空穴从右向左流动形成的空间电荷区。当有合适能量的光子入射到1区时（红外光），将在1区激发出电子空穴对，在该区内建电场的作用下，电子将向图中的左侧漂移，最后到达N型InSb中成为多子的一部分，并进而向左移动进入外电路成为外界电流的一部分，而空穴则向图中的右侧漂移，进入P型GaAs中，也成为多子的一部分，并进一步向图中右方运动，最后通过P型GaAs和N⁺GaAs之间的PN结进入N⁺GaAs中与其中的电子复合，最后成为外界电流的一部分。

需要注意的是，当一个空穴从P型GaAs通过PN结进入N⁺GaAs时，将导致约100个电子从N⁺GaAs中越过PN结注入到P型GaAs中，当P型GaAs层制备的很薄时，这些注入的电子便能够扩散到P型GaAs层的左边缘，然后由于能级的原因便自动注入到N型InSb层中（因为是能量降低的过程，所以是自发进行的），这就是说，如果有一个光生空穴从左向右通过异质结，则就将有将近100个电子从右向左通过异质结，这些电子都向左方运动并最终成为外界电流的一部分，从而使得导线上流过的载流子数目是光激发的空穴数目的约100倍。

Claims (7)

1.具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述异质结三极管包括衬底（101），在衬底（101）表面依次生长的与衬底材料相同的P型层（102）、N型InAs/GaSb超晶格层（103），以及设置在N型InAs/GaSb超晶格层（103）之上的透明电极层（104），在衬底（101）的底部和透明电极层（104）的上部分别设置有金属引线（105），所述衬底（101）的材质为N⁺型GaAs、N⁺型Si或N⁺型Ge。

2.根据权利要求1所述的具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述衬底（101）为N⁺型GaAs衬底时，在其表面生长P型GaAs层。

3.根据权利要求1所述的具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述衬底（101）为N⁺型Si衬底时，在其表面生长P型Si层。

4.根据权利要求1所述的具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述衬底（101）为N⁺型Ge衬底时，在其表面生长P型Ge层。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述衬底（101）掺杂浓度为10²⁰个原子/cm³。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述P型层（102）的掺杂浓度为10¹⁸个原子/cm³。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的具备光电转换和放大功能的异质结三极管，其特征在于所述N型InAs/GaSb超晶格层（103）的掺杂浓度为10¹⁸个原子/cm³。