CN114899269A - 高增益光电探测器和高增益光电探测方法 - Google Patents
高增益光电探测器和高增益光电探测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114899269A CN114899269A CN202111661143.3A CN202111661143A CN114899269A CN 114899269 A CN114899269 A CN 114899269A CN 202111661143 A CN202111661143 A CN 202111661143A CN 114899269 A CN114899269 A CN 114899269A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- intrinsic semiconductor
- region
- semiconductor region
- barrier
- intrinsic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 168
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 79
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 75
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims description 21
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 20
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims description 4
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 36
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 13
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 5
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 4
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 3
- 230000004298 light response Effects 0.000 description 3
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 101000694017 Homo sapiens Sodium channel protein type 5 subunit alpha Proteins 0.000 description 1
- 206010034960 Photophobia Diseases 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 208000013469 light sensitivity Diseases 0.000 description 1
- 235000001968 nicotinic acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
- H01L31/184—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP
- H01L31/1844—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof the active layers comprising only AIIIBV compounds, e.g. GaAs, InP comprising ternary or quaternary compounds, e.g. Ga Al As, In Ga As P
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
高增益光电探测器和高增益光电探测方法，涉及光电探测器技术领域，本发明的高增益光电探测器包括顺次重叠设置的第一本征半导体区、势垒区和第二本征半导体区，第一本征半导体区和势垒区形成异质结，第二本征半导体区和势垒区形成异质结；第一本征半导体区和第二本征半导体区分别连接有电极，且第一本征半导体区材料和第二本征半导体区材料的禁带宽度小于势垒区材料的禁带宽度。本发明具有极佳的弱光探测能力以及非线性光响应特性。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术领域，尤其是大动态范围(大光强范围)弱光下超高增益的光电探测器技术领域。
背景技术
大动态范围弱光下超高增益的光电探测器在军用微光夜视，生物医学微光成像，外太空环境探测等领域有着广阔的应用前景及迫切需求。
目前为止，光电探测器件一直缺乏工作机理的创新。弱光探测设备仍以真空高压的像增强器为主，虽然具备优异的微光探测性能，可以探测低至10-6Lx的微光，但作为真空器件的致命缺陷是工作电压大，强光容易引起损坏，机械强度和环境适应性极差，寿命短，可靠性差。此外，其体积、重量、功耗大，不利于集成，这是它被商业市场特别是军事应用逐渐淡化的主要原因。像增强器与半导体器件结合，如EMCCD、ICCD，以及高灵敏度的雪崩光电二极管APD，仍无法摆脱高偏压、复杂降噪电路、大体积、低温工作等缺陷，严重限制了微光探测设备的发展及应用。
现存低偏压半导体光电探测器主要分为无增益型和有增益型，一般处于10-3Lx的极限探测水平，无法用于更弱光探测。无增益型低偏压半导体光电探测器以InGaAs焦平面和CMOS阵列为代表，由于器件本身没有增益，对暗电流、噪声等指标参数的要求以及相关工艺和电路的要求非常高，即使有复杂外部降噪电路和放大电路配合，目前仍难以满足弱光探测成像的需求。有增益型器件的典型代表为光晶体管和共振隧穿二极管(RTD)。普通光晶体管的构成完全依赖异型掺杂，以NPN为例，发射极注入的电子流经P型基区时会产生很大损耗，即电离杂质散射和电子-空穴散射机制将使发射区注入基区的电子在基区内的迁移率大大降低，同时Auger复合的增强将使电子寿命大受限制，这一点在弱光下尤其严重(弱光下复合的比例提高了)；再加上发射结耗尽区的复合中心对增益的影响，在弱光下尤为明显，所以光晶体管难以实现弱光工作，一般弱光探测极限是1E-3LX。而RTD虽然弱光增益高，能够实现弱光甚至单光子探测，但只有特定光强的光能够满足共振条件引起增益，无法实现大动态范围成像。
此外，目前几乎所有光电探测器的光电流响应随光强的变化都是线性的，即响应度不随光强变化，甚至随着光强的变弱而降低，这就大大限制了其弱光成像的表现。比如许多早期夜视仪因为动态范围较窄，一颗闪光弹就可以使一台昂贵的夜视仪报废；目前的夜视仪也只是通过一些较复杂的电压阈值保护措施来实现对光电探测器的保护。
综上，在光电探测领域，迫切需要能在大的动态范围内工作的，特别是在极弱光下具备较高增益的新型器件，最好兼顾原理简单，可以覆盖各个波段，可以在室温、低偏压下工作，体积小，可以适应各种复杂环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于大动态范围弱光下具有极高增益的新原理光探测器结构和光电探测方法，采用本发明技术可以在室温低偏压下实现微弱光探测及成像，并且具备全波段覆盖的能力。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高增益光电探测器，其特征在于，包括顺次重叠设置的第一本征半导体区、势垒区和第二本征半导体区，第一本征半导体区和势垒区形成异质结，第二本征半导体区和势垒区形成异质结；第一本征半导体区和第二本征半导体区分别连接有电极，且第一本征半导体区材料和第二本征半导体区材料的禁带宽度皆小于势垒区材料的禁带宽度。
进一步的，与第一本征半导体区连接的电极包括第一重掺杂半导体电极区和与第一重掺杂半导体电极区连接的第一金属电极区，第一重掺杂半导体电极区设置于衬底和第一本征半导体区之间；
与第二本征半导体区连接的电极包括第二重掺杂半导体电极区和与第二重掺杂半导体电极区连接的第二金属电极区。
第一本征半导体区、第二本征半导体区和势垒区的材料为下述各项之一：
(1)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GeSi，势垒区为Si；
(2)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(3)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为GaInP；(4)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlGaInP；(5)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为InGaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(6)第一本征半导体区为AlGaAs，第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs。
优选的，第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料皆为本征GaAs，势垒区的材料为本征AlGaAs。
进一步的，所述第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料相同。
进一步的，可以在第一本征半导体区或第二本征半导体区内，设置有量子点，所述量子点用于吸收预定波长的光波。或者，在第一本征半导体区和第二本征半导体区内，设置有量子点，所述量子点用于吸收预定波长的光波。所述量子点设置于吸收层靠近势垒区的位置，距离势垒约5nm处，比如自组织生长量子点，直径约几十纳米，高度几个纳米到十几纳米，密度根据实际需求而定。
进一步的，所述势垒区的厚度为2～100nm，所述第一本征半导体区的厚度为100～3000nm，所述第二本征半导体区的厚度为10～300nm。所述第一重掺杂半导体电极区的材料为掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3的GaAs，厚度为100nm～1000nm；所述第二重掺杂半导体电极区的材料为掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3的GaAs，厚度100nm～200nm。
本发明还提供一种高增益光电探测方法，包括下述步骤：：
(1)对层叠结构施加偏压，所述层叠结构为顺次重叠设置的第一本征半导体区、势垒区和第二本征半导体区，所述势垒区材料的禁带宽度大于第一本征半导体区材料的禁带宽度，势垒区材料的禁带宽度也大于第二本征半导体区材料的禁带宽度；
(2)层叠结构中的光吸收区吸收光子，产生的电子-空穴对在电场作用下实现空间分离，形成电流，通过检测隧穿单势垒的电流实现弱光检测。
进一步的，第一本征半导体区、第二本征半导体区和势垒区的材料为下述各项之一：
(1)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GeSi，势垒区为Si；
(2)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(3)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为GaInP；(4)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlGaInP；(5)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为InGaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(6)第一本征半导体区为AlGaAs，第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs。
在第一本征半导体区与第二本征半导体区中二者中至少其一，设置有量子点，所述量子点的材质为InGaAs、InAs或者锑化物，所述量子点用于吸收预定波长的光波。
所述偏压通过设置于层叠结构的顶面和底面的电极施加于层叠结构，形成从一个本征半导体区指向另一个本征半导体区的电场，并且电场线垂直于势垒区与本征半导体区的接触面。
本发明中，势垒区、第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料皆为本征半导体，所述本征半导体是指未经掺杂的半导体，其导电能力主要由材料的本征激发决定。
本发明采用“～”符号表示的范围包括端值，例如，“掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3”所确定的数值范围包括5E17cm-3和5E19cm-3。
本发明的有益效果在于：
本发明对于半导体材料本身和带隙宽度的要求较低，可以通过改变外延材料(主要是光吸收区材料)调制带隙宽度，实现对红外、可见光、紫外等波段的探测；隔离层、势垒区和光吸收区的非掺杂主体结构使光生电流在流通时不会因遇到掺杂造成的复合中心而产生损耗，从而实现弱光下高增益的性能；本发明采用很薄的单势垒，对临近位置光生空穴的积累反应敏感，少量空穴的积累，就能造成势垒的较大改变及注入电子流的显著增大，因此本器件结构具有极大的弱光响应；同时，本发明的光电探测器具有光照越低，响应度越大，光照越高，响应度相对降低的特征，这种非线性特性可以使器件具有很高的动态范围，可以在无需特殊电路配合的情况下，在具有极高的弱光响应灵敏度的同时又不会被突然照射过来的强光打坏，使这种器件可以适应各种复杂的环境，具有一种类似人眼仿生学的效果；另外，适当厚度的隔离层形成的辅助势垒可以显著限制暗电流，使器件能够在室温下工作。
本发明具有极佳的弱光探测能力以及非线性光响应特性，这是本发明最大的特点和优势。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1工作原理示意图。
图3为本发明的能带及工作原理示意图。其中，(a)是器件的工作原理图，(b)是弱光下器件的能带变化对比图，(c)是强光下器件的能带变化对比图。
图4为本发明实施例中新原理弱光探测器在室温-1V电压偏置下、白光照度仅为5E-6Lx照射下的响应测试结果曲线图。
图5为本发明实施例中新原理弱光探测器非线性特性(响应度与光照度之间的关系)曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种弱光下高增益的能够大动态范围工作的新原理光电探测结构和光电探测方法。
本发明的光探测器包括顺次重叠设置的第一本征半导体区、势垒区和第二本征半导体区，第一本征半导体区设置于衬底上，和势垒区形成异质结，第二本征半导体区和势垒区形成异质结；第一本征半导体区和第二本征半导体区分别连接有电极，且第一本征半导体区材料和第二本征半导体区材料的禁带宽度小于势垒区材料的禁带宽度。
本发明的光探测器基于非掺杂体材料生长异质结势垒，利用光生空穴对势垒高度的调整，在室温、低偏压下实现弱光下高增益，并且具备大动态范围。本发明的光探测器的主体结构是一个具有隔离层、势垒区和光吸收区的非掺杂异质结单势垒结构，沿外延生长方向依次为衬底、N型重掺杂下电极(第一重掺杂半导体电极)、本征光吸收区、本征单势垒区、本征隔离层、N型重掺杂上电极(第二重掺杂半导体电极)。
第一本征半导体区和第二本征半导体区二者之一为隔离层，另一为光吸收区，由偏压决定。
针对不同的工作波长，外延结构材料可以选择不同材料体系，如Si/GeSi、AlGaAs/GaAs、GaInP/GaAs、AlGaInP/GaAs、近红外的InGaAs/InP还有紫外的GaN系材料等，这样还可以充分利用这些材料的优点和特色，例如:
Si/GeSi材料工艺与现有的Si集成电路工艺兼容，具有广阔的商业应用前景；
A1GaAs/GaAs材料系统的晶格匹配非常好，当Al组分任意变化时，A1GaAs与GaAs可以一直保持晶格匹配,因此A1GaAs/GaAs的组分控制难度低，材料容易生长；
对于GalnP/GaAs材料，较大的价带不连续可以更有效抑制基区空穴反向注入；
AlGaInP/GaAs具有更大的价带不连续，因此积累空穴的能力更强，因此具备更大的增益，即便在较高的温度；
InGaAs/InP异质界面的缺陷少，表面复合速率很低，InP衬底的导热率高，是很成熟的近红外材料体系，且与各种激光器、发光管和探测器的材料系统兼容，便于实现单片集成的光电电路。
另外还可以选取一些特定波长的光吸收物质，如短波红外InGaAs量子点，红外InAs量子点或者锑化物量子点等，生长在光吸收区靠近势垒的位置，以调整器件的响应波长。光吸收区、势垒区和隔离层依次由窄禁带半导体材料、宽禁带半导体材料和窄禁带半导体材料组成。
表1示出了本发明部分可选材料体系，各材料皆为本征半导体。
表1
实施例1
本实施例提供一种用于红外及可见光大动态范围超高增益的新原理弱光探测器结构，如图1。沿外延生长方向依次为衬底1、作为第一重掺杂半导体电极的N型重掺杂GaAs下电极2、作为隔离层的本征GaAs层3，作为势垒区的本征AlAs单势垒4、作为光吸收层的本征GaAs层5、作为第二重掺杂半导体电极的N型重掺杂GaAs上电极6、作为第二金属电极的上金属电极7、台面8、作为第一金属电极的下金属电极9。
金属电极与N型重掺杂半导体区形成欧姆接触；
本征光吸收区位于N型重掺杂下电极上，介于N型重掺杂下电极与本征单势垒区之间，用于吸收光子；
本征势垒区为纳米量级的单势垒，位于光吸收区与隔离层之间，具有比光吸收区和隔离层更大的禁带宽度；
本征隔离层位于势垒区的另一侧，介于势垒区与N型重掺杂上电极之间，隔离层与势垒区配合起到累积光生载流子、调控能带结构、提高增益、降低暗电流的作用。
本实施例中，势垒区的厚度为2～100nm，所述第一本征半导体区的厚度为100～3000nm，所述第二本征半导体区的厚度为10～300nm，第一重掺杂半导体电极区的材料为掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3的GaAs，厚度为100nm～1000nm；所述第二重掺杂半导体电极区的材料为掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3的GaAs，厚度100nm～200nm。
本发明通过在上下重掺杂电极之间施加一定偏压，势垒一侧的本征窄禁带材料成为隔离层，势垒另一侧的本征窄禁带材料成为光吸收层。在一定偏压作用下，吸收区能带倾斜，当光照射器件时，光吸收区吸收光子，产生的电子-空穴对在外加电场作用下实现空间分离，电子漂移至一端电极方向形成电流，而空穴流向另一端电极方向，并被单势垒阻挡，空穴积累在势垒面向吸收区方向的价带三角阱内，引起能带变化和势垒降低，由于注入的电子流隧穿单势垒时的透射几率与单势垒高度成E指数关系，那么注入的电子流得到极大的放大并被另一端电极收集，形成增益，进而实现一种弱光下高增益的能够大动态范围工作的新原理光电探测结构的新原理光探测器。
探测器工作时，上电极7加负向偏压，如图2a所示，势垒上方的本征GaAs层5成为隔离层，势垒下方本征GaAs层3成为光吸收区，当光照射器件时，除少量光被隔离层吸收外，大部分光被单势垒下方的吸收区所吸收，产生的电子-空穴对在外加电压作用下空间分离，电子漂移至下电极集电极方向形成电流，而空穴流向表面上电极方向，并被AlAs单势垒4阻挡，这些空穴积累在AlAs势垒面向吸收区方向的价带三角阱内，并引起能带变化，AlAs在导带部分的势垒降低ΔV，由于隔离层上方注入的电子流隧穿单势垒时的透射几率与单势垒高度成E指数关系，则从表面注入的电子流得到极大的放大并被光吸收区下方的电极收集，形成增益。
如图3所示为本发明实施例中新原理光探测器能带示意图。相对于弱光，在外加电场下，强光下大量空穴在势垒与吸收区交界处的三角阱的积累，引起吸收区能带坡度变缓(假设极端情况下吸收区能带变平，外加电场不再会起作用，不会使产生的光生空穴向势垒前漂移堆积)，这就会有一种趋势，即阻挡空穴进一步向势垒前的三角阱堆积，而器件的放大机制正是由于空穴堆积引起的，因此强光下器件的响应度会相对于弱光下的响应度低。这种非线性特性可以使器件有着很高的动态范围，可以在无需特殊电路配合的情况下，在有着极高的弱光响应灵敏度的同时又不会被突然照射过来的强光打坏，使这种器件可以适应各种复杂的环境。图4和图5分别为基于GaAs/AlAs材料的新原理弱光探测器的光电响应测试结果和非线性特性测试结果。由于照射光由关到开又恢复到关的过程，实验中实际可以探测1E-6LX以下的光，并且有明显光电响应，但由于已经到达测试系统的极限，所以无法报出准确的光照度，只能估计是若干E-7LX，显然的，本发明的弱光灵敏度已经远远超出现有技术。
实施例2
参见图2b，本实施例在工作时上电极7加正偏压，此时势垒上方的本征GaAs层5成为光吸收区，而势垒下方的本征GaAs层3成为隔离层，当光照射器件时，被单势垒上方的吸收区所吸收，产生的电子-空穴对在外加电压作用下空间分离，电子漂移至上电极方向形成电流，而空穴流向衬底方向，并被AlAs单势垒4阻挡，这些空穴积累在AlAs势垒面向吸收区方向的价带三角阱内，并引起能带变化，AlAs在导带部分的势垒降低ΔV，由于隔离层下方注入的电子流隧穿单势垒时的透射几率与单势垒高度成E指数关系，注入的电子流得到极大的放大并被电极收集，形成增益。
实施例3
本实施例在光吸收层内设置量子点，量子点由针对特定波长的光吸收物质构成，如短波红外InGaAs量子点，红外InAs量子点或者锑化物量子点等，量子点优选设置在光吸收区靠近势垒的位置，以调整器件的响应波长。所述量子点设置于吸收层靠近势垒区的位置，距离势垒约5nm处，比如自组织生长InGaAs量子点，直径约几十纳米，高度几个纳米到十几纳米，密度根据实际需求而定。
Claims (14)
1.高增益光电探测器，其特征在于，包括顺次重叠设置的第一本征半导体区、势垒区和第二本征半导体区，第一本征半导体区和势垒区形成异质结，第二本征半导体区和势垒区形成异质结；第一本征半导体区和第二本征半导体区分别连接有电极，且第一本征半导体区材料和第二本征半导体区材料的禁带宽度皆小于势垒区材料的禁带宽度。
2.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，
与第一本征半导体区连接的电极包括第一重掺杂半导体电极区和与第一重掺杂半导体电极区连接的第一金属电极区，第一重掺杂半导体电极区设置于衬底和第一本征半导体区之间；
与第二本征半导体区连接的电极包括第二重掺杂半导体电极区和与第二重掺杂半导体电极区连接的第二金属电极区。
3.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，所述第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料相同。
4.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，第一本征半导体区、第二本征半导体区和势垒区的材料为下述各项之一：
(1)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GeSi，势垒区为Si；
(2)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(3)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为GaInP；
(4)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlGaInP；
(5)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为InGaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(6)第一本征半导体区为AlGaAs，第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs；
以上材料皆为本征半导体材料。
5.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，在第一本征半导体区或第二本征半导体区内，设置有量子点，所述量子点用于吸收预定波长的光波。
6.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，在第一本征半导体区和第二本征半导体区内，设置有量子点，所述量子点用于吸收预定波长的光波。
7.如权利要求6所述的高增益光电探测器，其特征在于，所述量子点设置于靠近势垒区的位置。
8.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，所述势垒区的厚度为2～100nm，所述第一本征半导体区的厚度为100～3000nm，所述第二本征半导体区的厚度为10～300nm。
9.如权利要求2所述的高增益光电探测器，其特征在于，所述第一重掺杂半导体电极区的材料为掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3的GaAs，厚度为100nm～1000nm；所述第二重掺杂半导体电极区的材料为掺杂浓度5E17cm-3～5E19cm-3的GaAs，厚度100nm～200nm。
10.如权利要求1所述的高增益光电探测器，其特征在于，所述势垒区的材料为本征半导体。
11.高增益光电探测方法，其特征在于，包括下述步骤：：
(1)对层叠结构施加偏压，所述层叠结构为顺次重叠设置的第一本征半导体区、势垒区和第二本征半导体区，所述势垒区材料的禁带宽度大于第一本征半导体区材料的禁带宽度，势垒区材料的禁带宽度也大于第二本征半导体区材料的禁带宽度；
(2)层叠结构中的光吸收区吸收光子，产生的电子-空穴对在电场作用下形成电流，通过检测隧穿势垒的电流实现弱光检测。
12.如权利要求11所述的高增益光电探测方法，其特征在于，第一本征半导体区、第二本征半导体区和势垒区的材料为下述各项之一：
(1)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GeSi，势垒区为Si；
(2)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(3)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为GaInP；
(4)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlGaInP；
(5)第一本征半导体区和第二本征半导体区的材料为InGaAs，势垒区为AlAs或AlGaAs；
(6)第一本征半导体区为AlGaAs，第二本征半导体区的材料为GaAs，势垒区为AlAs。
13.如权利要求12所述的高增益光电探测方法，其特征在于，在第一本征半导体区与第二本征半导体区二者至少其一，设置有量子点，所述量子点的材质为InGaAs、InAs或者锑化物，所述量子点用于吸收预定波长的光波。
14.如权利要求11所述的高增益光电探测方法，其特征在于，所述偏压通过设置于层叠结构的顶面和底面的电极施加于层叠结构，形成从一个本征半导体区指向另一个本征半导体区的电场，并且电场线垂直于势垒区与本征半导体区的接触面。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111457785 | 2021-12-01 | ||
| CN2021114577851 | 2021-12-01 | ||
| CN2021115944222 | 2021-12-23 | ||
| CN202111594422 | 2021-12-23 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114899269A true CN114899269A (zh) | 2022-08-12 |
Family
ID=82714222
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111661143.3A Pending CN114899269A (zh) | 2021-12-01 | 2021-12-30 | 高增益光电探测器和高增益光电探测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114899269A (zh) |
-
2021
- 2021-12-30 CN CN202111661143.3A patent/CN114899269A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6614086B2 (en) | Avalanche photodetector | |
| US20070096240A1 (en) | Doped Absorption For Enhanced Responsivity For High Speed Photodiodes | |
| US5077593A (en) | Dark current-free multiquantum well superlattice infrared detector | |
| US9076906B2 (en) | Hetero-junction bipolar phototransistor with improved noise characteristic | |
| US8415713B2 (en) | Photo-field effect transistor and its production method | |
| CN108305911B (zh) | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 | |
| EP2808908B1 (en) | High-speed photodetector | |
| JP2002203986A6 (ja) | アバランシェ光検出器 | |
| JP2004200703A (ja) | ショットキー接合接点を備えたユニポールフォトダイオード | |
| CN112259626A (zh) | 一种850nm波段单载流子高速探测器 | |
| CN113471326B (zh) | 一种ⅲ族氮化物异质结光电探测器 | |
| US8143648B1 (en) | Unipolar tunneling photodetector | |
| CN116705892B (zh) | 一种雪崩二极管 | |
| CN213212174U (zh) | 一种850nm波段单载流子高速探测器 | |
| CN114899269A (zh) | 高增益光电探测器和高增益光电探测方法 | |
| Berger | Metal-semiconductor-metal photodetectors | |
| US20030111675A1 (en) | Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes | |
| US20150162471A1 (en) | Phototransistor device | |
| CN220400608U (zh) | 雪崩光电二极管及应用其的光接收器 | |
| US20230114881A1 (en) | Barrier Infrared Detector Architecture for Focal Plane Arrays | |
| Campbell et al. | Photodetectors: UV to IR | |
| Goh et al. | InAlAs avalanche photodiode with type-II absorber for detection beyond 2 μm | |
| JP2002170983A (ja) | 受光半導体デバイス | |
| CN116779714A (zh) | 一种高灵敏度x射线探测器 | |
| KR20220153360A (ko) | 에벌런치 광 검출기 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |