CN109461786B - 双通道长波红外探测器 - Google Patents
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Abstract
一种双通道长波红外探测器，包括一半导体衬底层、一高掺杂半导体基板层、一吸收层、一势垒层、一接触层以及一光栅层。本发明的双通道长波红外探测器避免了传统的探测器利用多个吸收区叠加实现多通道探测的方法，结构简单，节省成本；利用掺杂半导体介电常数在工作波段为有限值且虚部值小的特点，提高了吸收层内的吸收效率；降低了吸收层的厚度，提高了探测的响应率。
Description
技术领域
本发明属于红外探测技术领域，具体涉及一种双通道长波红外探测器。
背景技术
电磁波谱中，通常将波长范围为0.76～1000μm这一波谱区间称为红外波谱区。只要物体表面的温度高于绝对零度(-173°)，总是存在将能量不断地从物体表面向外释放的红外热辐射现象。因此红外探测技术具有广泛的应用，尤其是在军事领域，各类军事目标都有其固有的红外辐射特征，特别是飞机、火箭等飞行器，都属于很强的红外辐射源。红外探测技术在军事上的广泛应用主要包括红外侦测、红外夜视、红外制导、红外隐身以及红外对抗等方面。红外探测技术针对大气层的吸收，具有不同的探测波长分类：1到2.6短波红外探测区、3～5μm中波红外探测区以及8～14μm长波红外探测区。然而，由于臭氧层在9.6μm附近有很强的红外吸收，对于长波红外探测器，不得不考虑臭氧层的影响，因此针对臭氧层红外吸收的双通道长波红外探测器的研究具有重要的科学价值和实际意义。
此外随着MBE等半导体生长工艺的成熟，掺杂半导体的掺杂程度接近掺杂极限，其等离子体波长延伸到中波红外波段。由于在靠近等离子体波长附近，掺杂半导体的介电常数的实部和虚部均具有较小数值，因此其在作为探测器吸收区衬底时，能够使能量更大程度的被吸收层吸收。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双通道长波红外探测器，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种双通道长波红外探测器，包括：一半导体衬底层；一高掺杂半导体基板层，制备于所述半导体衬底的上方；一吸收层，制备于所述高掺杂半导体基板层的上方；一势垒层，制备于所述吸收层的上方，用于阻止吸收区多数载流子的扩散；一接触层，制备于所述势垒层的上方；以及一光栅层，制备于所述接触层的上方，用于实现偏振光双通道光学响应。
优选地，所述半导体衬底层材料为满足上下层之间晶格匹配的本征半导体材料。
优选地，所述高掺杂半导体基板层的材料为通过高掺杂实现的等离子体波长接近且小于工作波长的掺杂半导体材料。
优选地，所述高掺杂半导体基板层的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，透射为零。
优选地，所述吸收层为二类超晶格材料。
优选地，所述势垒层的材料满足吸收层的势垒要求。
优选地，所述势垒层为满足上下层晶格匹配的半导体材料。
优选地，所述接触层为掺杂半导体材料。
优选地，所述光栅层的材料是金属。
优选地，所述光栅层为一维光栅、二维光栅或复合光栅结构。
从上述技术方案可以看出，本发明的双通道长波红外探测器具有以下有益效果：
(1)避免了传统的探测器利用多个吸收区叠加实现多通道探测的方法，结构简单，节省成本；
(2)利用掺杂半导体介电常数在工作波段为有限值且虚部值小的特点，提高了吸收层内的吸收效率；
(3)降低了吸收层的厚度，提高了探测的响应率。
附图说明
图1为本发明实施例中双通道长波红外探测器的结构示意图；
图2为图1所示探测器结构的总吸收以及吸收层内的吸收谱线图；
【附图标记说明】
101-半导体衬底层； 102-高掺杂半导体基板层；
103-吸收层； 104-势垒层；
105-接触层； 106-光栅层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种双通道长波红外探测器，包括一半导体衬底层、一高掺杂半导体基板层、一吸收层、一势垒层、一接触层以及一光栅层。本发明的双通道长波红外探测器避免了传统的探测器利用多个吸收区叠加实现多通道探测的方法，结构简单，节省成本；利用掺杂半导体介电常数在工作波段为有限值且虚部值小的特点，提高了吸收层内的吸收效率；降低了吸收层的厚度，提高了探测的响应率。
具体地，本发明提供一种双通道长波红外探测器，包括：一半导体衬底层；一高掺杂半导体基板层，制备于所述半导体衬底的上方；一吸收层，制备于所述高掺杂半导体基板层的上方；一势垒层，制备于所述吸收层的上方，用于阻止吸收区多数载流子的扩散；一接触层，制备于所述势垒层的上方；以及一光栅层，制备于所述接触层的上方，用于实现偏振光双通道光学响应。
所述半导体衬底层材料为满足上下层之间晶格匹配的本征半导体材料。
所述高掺杂半导体基板层的材料为通过高掺杂实现的等离子体波长接近且小于工作波长的掺杂半导体材料。
所述高掺杂半导体基板层的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，透射为零。
所述吸收层为二类超晶格材料。
所述势垒层的材料满足吸收层的势垒要求。
所述势垒层为满足上下层晶格匹配的半导体材料。
所述接触层为掺杂半导体材料。
所述光栅层的材料是金属。
所述光栅层为一维光栅、二维光栅或复合光栅结构。
以下结合具体实施例和附图，对本发明的双通道长波红外探测器作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例中双通道长波红外探测器的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种双通道长波红外探测器，包括：一半导体衬底层101，为矩形，所述的半导体衬底材料是满足上下层晶格匹配的本征半导体材料；一高掺杂半导体基板层102，为矩形，制备于半导体衬底、101的上方，该高掺杂半导体的等离子体波长短于工作波段的波长，该高掺杂半导体的厚度大于吸收器的工作波段光波的邃穿深度，该实施例中，所述的掺杂半导体基板层为n型掺杂半导体材料(InAs)，厚度为1.5μm；一吸收层103，制备于高掺杂半导体基板层102的上方，所述的吸收层材料为二类超晶格材料，该二类超晶格材料的吸收截止波长长于工作波长(也许换成MCT也可以)，该实施例中，所述的吸收层材料为InAs/GaSb二类超晶格材料，厚度为0.8μm；一势垒层104，制备于吸收层103的上方，所述的势垒层材料满足上下层晶格匹配，所述的势垒层材料用以阻止吸收区多数载流子的扩散，该实施例中，所述的势垒层材料为InAs/GaSb超晶格材料，厚度为0.8μm；一接触层105，制备于势垒层104的上方，所述的接触层材料是满足上下层晶格匹配的掺杂半导体材料，该实施例中，所述的接触层材料为n型掺杂二类超晶格材料(InAs/GaSb)，厚度为5nm；一光栅层106，制备于接触层105的上方，所述的光栅层材料为金属，所述的微结构光栅层为一维光栅、二维光栅或复合光栅结构，该实施例中，所述的光栅层材料是金属金，该光栅层是一维光栅结构，该光栅层周期为3.5μm，占空比为0.35，厚度为50nm。
图2为图1所示探测器结构的总吸收以及吸收层内的吸收谱线图。如图2所示，为在垂直入射光下，该探测器的总吸收和吸收层103内的吸收谱线。
本发明的目的是针对臭氧层9～10μm的红外吸收波段，实现一种结构简单的长波红外探测器。取代传统的利用不同吸收区叠加的方法，通过引入微结构金属表面光栅，实现双通道吸收。此外，半导体材料的生长和掺杂经过几十年的发展，已经趋于成熟，通过采用分子束外延技术、有机化合物气象沉积技术等，可以生长出晶格完美的高掺杂半导体材料，掺杂浓度接近掺杂极限。
综上所述，本发明的双通道长波红外探测器避免了传统的探测器利用多个吸收区叠加实现多通道探测的方法，结构简单，节省成本；利用掺杂半导体介电常数在工作波段为有限值且虚部值小的特点，提高了吸收层内的吸收效率；降低了吸收层的厚度，提高了探测的响应率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双通道长波红外探测器，其特征在于，包括：
一半导体衬底层；
一高掺杂半导体基板层，制备于所述半导体衬底的上方，所述高掺杂半导体基板层的材料为通过高掺杂实现的等离子体波长接近且小于工作波长的掺杂半导体材料；
一吸收层，制备于所述高掺杂半导体基板层的上方；
一势垒层，制备于所述吸收层的上方，用于阻止吸收区多数载流子的扩散；
一接触层，制备于所述势垒层的上方；以及
一光栅层，制备于所述接触层上方，用于实现偏振光双通道光学响应。
2.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述半导体衬底层材料为满足上下层之间晶格匹配的本征半导体材料。
3.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述高掺杂半导体基板层的厚度大于吸收器的工作波段光波的隧穿深度，透射为零。
4.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述吸收层为二类超晶格材料。
5.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述势垒层的材料满足吸收层的势垒要求。
6.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述势垒层为满足上下层晶格匹配的半导体材料。
7.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述接触层为掺杂半导体材料。
8.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述光栅层的材料是金属。
9.如权利要求1所述的双通道长波红外探测器，其特征在于，所述光栅层为一维光栅、二维光栅或复合光栅结构。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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