CN110071185B - 多量子阱红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及多量子阱红外探测器。根据一实施例，一种多量子阱红外探测器可包括：第一半导体层，其具有第一导电类型；第二半导体层，其具有第二导电类型，所述第二导电类型不同于所述第一导电类型；以及多量子阱层，设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间，所述多量子阱层包括交替设置的至少一个量子阱层和至少两个势垒层，每个量子阱层插入在两个相邻的势垒层之间，其中，所述量子阱层的E1能级高于所述势垒层的价带，并且所述量子阱层具有足够大的厚度以使得其吸收峰在3μm以上。本发明的多量子阱红外探测器能实现中波红外探测，因此具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明总体上涉及光电探测器领域，更特别地，涉及一种多量子阱红外探测器，其能够实现中波红外探测。
背景技术
光子型红外探测器凭借着响应速度快、信噪比高等优点在军事国防、国民生产等领域有着广泛的应用。光子型红外探测发展的核心目标是不断寻求更高信噪比的光响应，为此需要在持续提升光电转换量子效率的同时，不断抑制暗电流。为了达到抑制暗电流的目的，需要为光子型红外探测器配备一套低温制冷设备，这不仅提高了生产成本，也大大限制了红外探测器的使用时间和范围。所以，寻找可以在高温甚至是室温条件下工作的光子型红外探测器材料一直是红外探测领域的研究热点。
大气中存在三个红外的透过窗口，分别为短波红外(1～2.7μm)、中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)。红外探测器的研究基本都围绕着这三个波段展开。短波红外探测器已经实现了室温条件下的红外探测，中波红外的室温探测成为了目前的研究热点之一。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种多量子阱红外探测器，其能够实现中波红外探测。
根据一示例性实施例，一种多量子阱红外探测器可包括：第一半导体层，其具有第一导电类型；第二半导体层，其具有第二导电类型，所述第二导电类型不同于所述第一导电类型；以及多量子阱层，设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间，所述多量子阱层包括交替设置的至少一个量子阱层和至少两个势垒层，每个量子阱层插入在两个相邻的势垒层之间，其中，所述量子阱层的E1能级高于所述势垒层的价带，并且所述量子阱层具有足够大的厚度以使得其吸收峰在3μm以上。
在一些示例中，所述第一半导体层和所述第二半导体层每个都包括GaSb。
在一些示例中，所述第一导电类型是P型和N型中的一种，所述第二导电类型是P型和N型中的另一种。
在一些示例中，所述势垒层包括AlGaSb，所述量子阱层包括InAsSb。
在一些示例中，所述量子阱层具有6nm至50nm范围内的厚度。
在一些示例中，所述多量子阱层还包括：设置在每两个相邻的势垒层和量子阱层之间的界面层。
在一些示例中，所述势垒层包括GaSb，所述量子阱层包括InAsSb，所述界面层包括AlSb。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明一实施例的多量子阱红外探测器的结构示意图。
图2是图1所示的多量子阱红外探测器的能带示意图。
图3是根据本发明另一实施例的多量子阱红外探测器的结构示意图。
图4是图3所示的多量子阱红外探测器的能带示意图。
具体实施方式
下面将参照附图来描述本发明的示范性实施例。应理解，示范性实施例仅用于示出本发明的原理，而非要将本发明限制到所描述的精确形式。而是，可以以更多或更少的细节来实现本发明。在附图中，相似的元件用相似的附图标记来指示，可能省略对其的重复描述。
一般认为，量子阱中的高掺杂浓度会形成较大的吸收系数,增大量子效率,但同时也会形成较大的暗电流,导致较大的噪声，从而降低探测效率。但是最新的实验发现，在p-n结中受限量子态之间的光跃迁过程可以实现对光电流和暗电流的独立操控，并且形成量子结构中光生载流子的高效迁移。试验证明这种新效应中的光跃迁吸收系数比现有理论计算的理想值提升了10倍以上，这为追求大幅度提升光电探测信噪比这一核心指标形成了全新的途径。同时，在全波段探测的技术需求中，采用受限量子态间跃迁的思路将能够通过晶格匹配低维量子结构的制备来实现对不同波段光子的高效响应，从原理上规避了当前主流的薄膜多波段探测中变组分异质外延面临的晶格失配引发缺陷的难题。因此，可能通过该新思路，有望在光电探测器的核心性能方面，如向更高信噪比、更高工作温度和更长响应波长的发展中形成变革性的突破。
图1是根据本发明一示范性实施例的多量子阱红外探测器100的结构示意图。如图1所示，多量子阱红外探测器100包括在衬底110上依次设置的第一半导体层120、多量子阱层130、第二半导体层140、以及欧姆接触层150。
衬底110可以采用半导体领域常用的衬底，例如但不限于Si衬底、Ge衬底、SiC衬底、SOI衬底、蓝宝石衬底、ZnO衬底、GaAs衬底、InP衬底、GaSb衬底等。可以根据第一半导体层120的材料来选择合适的衬底110。例如，如果第一半导体层120由GaAs、InP或GaSb形成，则可以采用GaAs衬底、InP衬底或GaSb衬底作为衬底110。选用相同材料的衬底110，可以最大程度上避免晶格失配，从而获得最佳质量的外延层，并且还能直接在衬底110上外延第一半导体层120，节省了工艺时间和成本。另一方面，亦可以选择异质衬底110。为了实现不同材料的第一半导体层120与衬底110之间的晶格匹配，可以先在衬底110上生长缓冲层。缓冲层的材料和厚度可以根据衬底110的晶格常数与第一半导体层120的晶格常数来选择。在一实施例中，可以控制缓冲层的成分，使得缓冲层在两端分别与衬底110和第一半导体层120晶格匹配。
第一半导体层120可以是外延生长于衬底110上的N型或P型半导体层。在本发明中，可以采用各种常规的薄膜外延生长或沉积方法来制备各个半导体层，包括但不限于氢化物气相外延(HVPE)、金属有机气相外延(MOCVD)、化学气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)等薄膜沉积技术。在一些实施例中，衬底110可以是N型GaSb衬底，第一半导体层120可以是N型GaSb半导体层。第一半导体层120的厚度可以在10nm至2μm的范围。优选地，第一半导体层120的厚度可以在50nm至1μm的范围，例如，可以为400nm。
多量子阱层130设置在第一半导体层120上。虽然图1未示出，但是为了晶格匹配，在多量子阱层130与第一半导体层120之间还可以形成有缓冲层。多量子阱层光130可包括交替设置的势垒层和量子阱层，并且每个量子阱层被两侧的势垒层夹置在其间。在图1中，仅示出了第一势垒层132、第二势垒层136、以及位于二者之间的量子阱层134，但是应理解，可以包括更多数量的量子阱层。在图1所示的实施例中，采用了InAsSb/GaSb多量子阱结构，即第一势垒层132和第二势垒层136可由GaSb形成，量子阱层134可由InAsSb形成。例如，在一示例中，第一势垒层132可以具有100nm的厚度，量子阱层134可以具有5nm的厚度，第二势垒层136可以具有50nm的厚度。
第二半导体层140设置在多量子阱层130上。在一优选实施例中，第二半导体层140可以是与第一半导体层120材料相同，导电类型相反的半导体层。例如，在一示例中，第二半导体层140可以是P型GaSb层，其厚度可以在10nm至1μm的范围，例如为200nm。
在第二半导体层140上还可以设置有欧姆接触层150，其用于形成欧姆接触电极。在图1的示例中，欧姆接触层150可包括200nm的P+-GaSb层152和5nm的P+-InAs层154。
如上所述，在图1的实施例中，使用了GaSb P-N结之间的InAsSb/GaSb多量子阱结构。在室温条件下，InAsxSb1-x材料的带隙为0.108-0.356eV，波长可覆盖3.48-11.48μm(InAs和InAs0.353Sb0.647)，是一种优良的红外探测材料。当x等于0.91时，InAs0.9Sb0.1和GaSb晶格相匹配。通过理论计算，当InAsSb和GaSb晶格相匹配时，量子阱的能带是一种禁带错位型II类能带结构，如图2所示。由于量子限制效应，插在GaSb势垒中的InAs0.9Sb0.1量子阱导带中的基态会从图中的EVB升到E1的位置，这就形成了一种禁带跨接型II类能带结构，也把InAs0.9Sb0.1材料的吸收波长在室温条件下从体材料的4.42μm缩短为量子阱中的2.35μm(即图2中从EVB到E1的跃迁)。实验中发现在2.1μm附近有一个吸收峰，这一实验结果与计算结果是基本吻合的。
虽然上面图1的实施例仅实现了在扩展短波红外波段的探测，但是其实验结果提供了中波红外探测的一种可行思路。为了利用这一材料体系实现中波红外探测，需要对这一材料体系进行改进。本发明人考虑了如下两种方法来将探测波长扩展到中波红外波段。一种方法是增加InAsSb量子阱中Sb的组分。通过计算，在保持量子阱宽不变的条件下，增加Sb组分最多只能将探测波长扩展到2.9μm。这种方法还有一个缺点：增加InAsSb中Sb的组分将会引起InAsSb和GaSb的晶格失配。Sb组分越大，二者的失配度也就越高，这将大大提高材料的生长难度。第二种方法是增加量子阱的宽度，这将使得InAsSb量子阱的量子限制效应减弱，可以降低E1能级的位置，从而达到减小跃迁能量的目的。但是这种方法不适于GaSb材料做势垒的情况。因为室温条件下GaSb的带隙只有0.78eV，量子阱宽度的增加会使得E1能级的位置等于或者低于GaSb势垒的价带，这就会导致跃迁到E1能级的电子输运到GaSb的价带，从而无法进入外电路参与导电。
为了克服第二种方法的缺陷，本发明人提出一种方法，在增加量子阱宽度的同时条件下提高E1能级的位置，保证E1能级高出势垒的价带。具体而言，通过在势垒材料GaSb中加入一定组分的Al，使势垒材料变成AlxGa1-xSb，或者直接在GaSb势垒和InAsSb量子阱之间插入一层薄的AlSb界面层，会降低势垒材料价带的位置，从而使得E1能级高出势垒的价带，进而实现中波红外探测的目的。图3示出这样的实施例。在图3中，与图1相同的层用相同的附图标记指示，这里将省略对其的重复描述。
如图3所示，多量子阱红外探测器200包括替代图1的多量子阱层130的多量子阱层230。多量子阱层光230可包括交替设置的势垒层和量子阱层，并且每个量子阱层被两侧的势垒层夹置在其间。在图3中，仅示出了第一势垒层232、第二势垒层236、以及位于二者之间的量子阱层234，但是应理解，可以包括更多数量的量子阱层。在图3所示的实施例中，第一势垒层232和第二势垒层236每个可由AlGaSb形成，或者可包括GaSb势垒层和位于GaSb势垒层与量子阱层之间的AlSb界面层。第一势垒层232和第二势垒层236每个的厚度可以为例如50nm。量子阱层234仍可由InAsSb形成，但是与量子阱层134相比，具有增大的厚度。例如，在一实施例中，量子阱层234可具有6nm-50nm范围的厚度，例如10nm的厚度。
上面在描述示例性实施例时，给出了许多特定细节，例如组分、厚度参数等。但是应理解，这些参数仅用于说明本发明的原理，并且便于本领域技术人员实施本发明，而非限制本发明。例如，当所使用的材料不同时，则组分、厚度等均可以发生变化。在权利要求所定义的本发明的范围内，这些参数可以灵活地调节。
图4示出图3的结构的能带图，其中量子阱层234为10nm厚的InAsSb，势垒层为50nm厚的Al0.35Ga0.65Sb。如图4所示，采用这种结构，可以把探测波长扩展到3.1μm(78K)，并且该结果在实验中得到了验证。而且，因为AlSb和GaSb晶格常数相差很小，所以AlGaSb的引入并不会导致材料生长难度的增加。
虽然上面参照示范性实施例描述了本发明，但是本发明不限于此。本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的范围和思想的情况下，可以进行形式和细节上的各种变化和修改。本发明的范围仅由所附权利要求及其等价物定义。
Claims (4)
1.一种多量子阱红外探测器，包括：
第一半导体层，其具有第一导电类型；
第二半导体层，其具有第二导电类型，所述第二导电类型不同于所述第一导电类型；以及
多量子阱层，设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间，所述多量子阱层包括交替设置的至少一个量子阱层和至少两个势垒层，每个量子阱层插入在两个相邻的势垒层之间，
其中，所述量子阱层的E1能级高于所述势垒层的价带，并且所述量子阱层具有足够大的厚度以使得与从所述量子阱层的价带到E1能级的跃迁对应的吸收峰在3μm以上，
所述第一半导体层和所述第二半导体层每个都包括GaSb，所述势垒层包括AlGaSb或GaSb，所述量子阱层包括InAsSb，且所述量子阱层具有6nm至50nm范围内的厚度。
2.根据权利要求1所述的多量子阱红外探测器，其中，所述第一导电类型是P型和N型中的一种，所述第二导电类型是P型和N型中的另一种。
3.根据权利要求1所述的多量子阱红外探测器，其中，所述多量子阱层还包括：
设置在每两个相邻的势垒层和量子阱层之间的界面层。
4.根据权利要求3所述的多量子阱红外探测器，其中，所述势垒层包括GaSb，所述界面层包括AlSb。
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