CN117276367A - 中波红外探测器、探测器探测方法及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种中波红外探测器、探测器探测方法及制备方法，所述中波红外探测器的器件结构包括：依次相连的衬底、缓冲层、第一接触层、吸收层、势垒层、第二接触层和盖层；第一接触层和吸收层分别包含有多个依次叠设的第一材料层，第一材料层包括依次叠设的第一InAs材料层和第一GaSb材料层；势垒层和第二接触层分别包含有多个依次叠设的第二材料层，第二材料层包括依次叠设的第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层。本申请中的中波红外探测器经测试在77K时拥有较好的量子效率，同时在保证量子效率的前提下有效抑制了暗电流水平，进而提升探测器的工作性能。

Description

中波红外探测器、探测器探测方法及制备方法
技术领域
本申请涉及红外探测领域，尤其涉及一种中波红外探测器、探测器探测方法及制备方法。
背景技术
在监视设备、医疗设备和军事应用等各种应用中，红外探测器的需求不断增加。迄今为止，InSb和HgCdTe(MCT)一直是传统红外探测器的主要模块，因为它们具有相对较高的量子效率和低暗电流。但由于HgCdTe材料的较高成本限制，InSb红外探测器工作温度较低的限制，基于锑化物的二类超晶格(T2SL)被提出作为HgCdTe、InSb的替代品，在大型衬底上具有潜在的更低制造成本，并且由于抑制了俄歇复合率和隧道电流，具有较低暗电流密度。T2SL的这些优点使它们能够在更高的温度下工作，这对于光电探测器的应用是非常理想的。近年来，二类超晶格(T2SL)越来越受到关注，并已取代InSb或MCT红外探测器。在3-5μm的光谱范围内的红外探测器被应用在各种领域，如污染物检测，红外热成像，激光雷达和光学对抗。在这一光谱范围内，气体探测和红外成像的重要应用激发了人们对中波红外探测器发展的极大兴趣。暗电流水平是衡量红外探测器器件性能的重要参数之一。在超晶格红外探测器中，主要的暗电流机制有扩散电流、产生复合电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流。在现有技术中，中波红外探测器的暗电流较高。
发明内容
鉴于此，本申请实施例提供了一种中波红外探测器、中波红外探测器的探测方法及制备方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。
本申请的第一个方面提供了一种中波红外探测器，该中波红外探测器包括：
依次相连的衬底、缓冲层、第一接触层、吸收层、势垒层、第二接触层和盖层；
所述第一接触层和吸收层分别包含有多个依次叠设的第一材料层，所述第一材料层包括依次叠设的第一InAs材料层和第一GaSb材料层；
所述势垒层和第二接触层分别包含有多个依次叠设的第二材料层，所述第二材料层包括依次叠设的第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层。
在本申请的一些实施例中，所述第一接触层和吸收层中均设有Be；所述势垒层和第二接触层中均设有Si。
在本申请的一些实施例中，所述第一InAs材料层和第一GaSb材料层均为八层单分子层；
相对应的，所述吸收层中的禁带宽度为0.2213eV。
在本申请的一些实施例中，所述第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层分别为十层单分子层、一层单分子层、五层单分子层和一层单分子层；
相对应的，所述势垒层中的禁带宽度为0.5725eV。
在本申请的一些实施例中，所述缓冲层和第一接触层之间还设有第一电极；
所述第二接触层和盖层之间还设有第二电极，以在所述第一电极和第二电极之间施加预设的偏压。
在本申请的一些实施例中，所述第一接触层上的所述Be的浓度为1×1017cm-3；
所述第二接触层上的所述Si的浓度为1×1017cm-3。
在本申请的一些实施例中，所述吸收层上的所述Be的浓度为1×1016cm-3；
所述势垒层上的所述Si的浓度为1×1016cm-3。
在本申请的一些实施例中，所述衬底和缓冲层由所述GaSb材料层构成；
所述盖层由所述InAs材料层构成。
本申请的第二个方面提供了一种中波红外探测器的探测方法，该方法包括：
采用红外光学窗口接收红外辐射；
基于光学镜片对所述红外辐射进行聚焦；
采用中间滤光片对聚焦后的红外辐射进行滤波；
将滤波后的红外辐射照射到第一方面所述的中波红外探测器中包含的红外芯片；
采用所述红外芯片将滤波后的红外辐射转换为目标电流，并对所述目标电流进行电路运算以得到目标红外图像。
本申请的第三个方面提供了一种中波红外探测器的制备方法，该方法包括：
基于分子束外延法将InAs、GaSb、AlSb和GaSb在各自对应的分子束炉中加热为定向分子束；
将所述InAs、GaSb、AlSb和GaSb各自对应的定向分子束入射至预先加热的衬底上进行薄膜生长以依次构建缓冲层、第一接触层、吸收层、势垒层、第二接触层和盖层，进而制备得到第一方面所述的中波红外探测器。
本申请提供一种二类超晶格中波红外探测器器件结构、中波红外探测器的探测方法及制备方法，所述中波红外探测器包括：依次相连的衬底、缓冲层、第一接触层、吸收层、势垒层、第二接触层和盖层；所述第一接触层和吸收层分别包含有多个依次叠设的第一材料层，所述第一材料层包括依次叠设的第一InAs材料层和第一GaSb材料层；所述势垒层和第二接触层分别包含有多个依次叠设的第二材料层，所述第二材料层包括依次叠设的第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层。本申请中的中波红外探测器能够有效地降低暗电流，进而提升探测器的工作性能。
本申请的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本申请的实践而获知。本申请的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
本领域技术人员将会理解的是，能够用本申请实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本申请能够实现的上述和其他目的。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本申请的原理。为了便于示出和描述本申请的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本申请实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
图1为本申请一实施例中的中波红外探测器的结构示意图。
图2为本申请另一实施例中的中波红外探测器的探测方法的流程示意图。
图3为本申请另一实施例中的中波红外探测器的制备方法的流程示意图。
图4为本申请另一实施例中的中波红外探测器的能带图。
图5为本申请另一实施例中的中波红外探测器的暗电流密度变化示意图。
图6为本申请另一实施例中的中波红外探测器的量子效率变化示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本申请做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本申请，在附图中仅仅示出了与根据本申请的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本申请关系不大的其他细节。
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
在下文中，将参考附图描述本申请的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
具体通过下述实施例进行详细说明。
本申请实施例提供一种中波红外探测器，参见图1，所述的中波红外探测器的器件结构具体包含有如下内容：
依次相连的衬底7、缓冲层6、第一接触层5、吸收层4、势垒层3、第二接触层2和盖层1；
所述第一接触层5和吸收层4分别包含有多个依次叠设的第一材料层，所述第一材料层包括依次叠设的第一InAs材料层和第一GaSb材料层；
需要说明的是，基于InAs/GaSb的二类超晶格可以保持紧密的晶格匹配条件，同时InAs/GaSb T2SL拥有更长的俄歇复合寿命和更大的电子有效质量以及良好均匀性。
所述势垒层3和第二接触层2分别包含有多个依次叠设的第二材料层，所述第二材料层包括依次叠设的第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层。
需要说明的是，基于InAs/GaSb/AlSb/GaSb的二类超晶格可以保持紧密的晶格匹配条件。同时，InAs/GaSb/AlSb/GaSb拥有较大的带隙，可用作势垒层3，在导带/价带种形成一个势垒，阻碍多数载流子的流动。
其中，缓冲层6、第一接触层5、吸收层4、势垒层3和第二接触层2的厚度分别可取0.5μm、0.4μm、3μm、0.4μm和0.4μm。
需要说明的是，吸收层4可适当设计的厚一些，吸收层4厚度太薄会减少吸收层4的光吸收，影响器件的光学特性；吸收层4厚度太厚，大于少数载流子的扩散长度，少数载流子会在被收集前就复合掉，影响载流子的收集。因此要结合仿真结果设计合适的吸收层4厚度。
在本申请的一些实施例中，在所述第一接触层5和吸收层4中以扩散或离子注入的方式掺入Be元素，以使得第一接触层5和吸收层4成为p型半导体；在所述势垒层3和第二接触层2中以扩散或离子注入的方式掺入Si元素，以使得势垒层3和第二接触层2成为n型半导体。
在本申请的一些实施例中，所述第一InAs材料层和第一GaSb材料层均为八层单分子层(Monolayer)；
相对应的，所述吸收层4中的禁带宽度为0.2213eV，从而能够使得探测器的探测范围覆盖中波范围。
在本申请的一些实施例中，所述第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层分别为十层单分子层、一层单分子层、五层单分子层和一层单分子层；
相对应的，所述势垒层3中的禁带宽度为0.5725eV，从而能够使得势垒层3阻碍大多数载流子移动。
在本申请的一些实施例中，所述缓冲层6和第一接触层5之间还设有第一电极；
所述第二接触层2和盖层1之间还设有第二电极，以在所述第一电极和第二电极之间施加预设的偏压。
需要说明的是，参见图4为红外探测器的能带图，该结构势垒层3在价带形成了一个很高的空穴势垒，阻碍了吸收层4的空穴扩散进入顶部接触层而被电极收集，因此可以有效的降低暗电流。同时，势垒层3的导带存在势垒，该势垒是由吸收层4和势垒层3形成p-n结引起的，可以通过适当增加外加偏压来降低导带势垒。在较低的偏压下的光生载流子无法克服势垒被电极收集，只有在达到开启电压才能正常收集光生载流子，这与导带势垒的高度有关，因此导带势垒高度不宜过高。本申请所给的势垒层3材料的导带势垒高度约为0.2eV，因此只需在小偏压下便可收集到光生载流子。
其中，图4中的Energy表示能量(单位：eV)，Distance表示器件纵向生长累计厚度(单位：μm)，Ec表示导带，Ef表示费米能级，Ev表示价带。
同时，参见图5和图6，理论计算表明，在温度为77K、偏置电压为-50mV条件下，该结构的暗电流密度为5.28×10-9A/cm2，量子效率峰值可达到34％，在保持较低的暗电流水平的同时，拥有较高的量子效率。
其中，图5中，Current Density表示暗电流密度(单位：A/cm2)，Bias Voltage表示偏置电压(单位：V)T表示温度(单位：K)；图6中Quantum Efficiency表示量子效率(单位：％)，Wavelength表示波长(单位：μm)，T表示温度(单位：K)。
在本申请的一些实施例中，所述第一接触层5上的所述Be为强掺杂，浓度为1×1017cm-3，也可以为1×1018cm-3。
所述第二接触层2上的所述Si为强掺杂，浓度为1×1017cm-3，也可以为1×1018cm-3。
在本申请的一些实施例中，所述吸收层4上的所述Be为弱掺杂，浓度为1×1016cm-3；
其中，增加吸收层4掺杂浓度会降低暗电流水平。但增加吸收层4掺杂浓度也会增加耗尽区宽度，G-R电流也会相应增大，因此通过仿真选取适当的吸收层4掺杂浓度。
所述势垒层3上的所述Si为弱掺杂，浓度为1×1016cm-3。其中，势垒层3也可不掺杂Si，或者掺杂浓度减小为1×1015cm-3，从而能够减小势垒层3能带的凸起或凹陷。
在本申请的一些实施例中，所述衬底7和缓冲层6由所述GaSb材料层构成；其中，衬底7采用GaSb材料层能够满足红外器件外延材料生长及器件面阵的要求，且可以保持晶格匹配。缓冲层6采用GaSb材料层能够与底部接触层(即第一接触层5)保持晶格匹配，也可以在缓冲层6上淀积金属电极。
所述盖层1由所述InAs材料层构成，能够提高探测器的性能和可靠性，提高电子和空穴的扩散速度，提高了探测器的响应速度。
本申请的实施例还提供了一种中波红外探测器的探测方法，参见图2，所述的中波红外探测器的探测方法具体包含有如下内容：
步骤110：采用红外光学窗口接收红外辐射。
步骤120：基于光学镜片对所述红外辐射进行聚焦。
步骤130：采用中间滤光片对聚焦后的红外辐射进行滤波。
步骤140：将滤波后的红外辐射照射到前述实施例提及的中波红外探测器中包含的红外芯片。
步骤150：采用所述红外芯片将滤波后的红外辐射转换为目标电流，并对所述目标电流进行电路运算以得到目标红外图像。
具体来说，首先采用红外光学窗口接收红外辐射；然后基于光学镜片对红外辐射进行聚焦；接着采用中间滤光片对聚焦后的红外辐射进行滤波；再接着将滤波后的红外辐射照射到前述实施例提及的中波红外探测器中包含的红外芯片；最后采用红外芯片将滤波后的红外辐射转换为目标电流，并对目标电流进行电路运算以得到目标红外图像，从而能够有效地降低暗电流，进而提升探测器的工作性能。
本申请的实施例还提供了一种中波红外探测器的制备方法，参见图3，所述的中波红外探测器的制备方法具体包含有如下内容：
步骤210：基于分子束外延法将InAs、GaSb、AlSb和GaSb在各自对应的分子束炉中加热为定向分子束。
步骤220：将所述InAs、GaSb、AlSb和GaSb各自对应的定向分子束入射至预先加热的衬底7上进行薄膜生长以依次构建缓冲层6、第一接触层5、吸收层4、势垒层3、第二接触层2和盖层1，进而制备得到前述实施例提及的中波红外探测器。
具体来说，首先基于分子束外延法将InAs分子材料、GaSb分子材料、AlSb分子材料和GaSb分子材料在各自对应的分子束炉中加热为定向分子束。然后将InAs分子材料、GaSb分子材料、AlSb分子材料和GaSb分子材料各自对应的定向分子束入射至预先加热的衬底7上进行薄膜生长以依次构建缓冲层6、第一接触层5、吸收层4、势垒层3、第二接触层2和盖层1，进而制备得到前述实施例提及的中波红外探测器，从而能够有效地降低暗电流，进而提升探测器的工作性能。
本申请提供一种中波红外探测器、中波红外探测器的探测方法及制备方法，所述中波红外探测器的器件结构包括：依次相连的衬底7、缓冲层6、第一接触层5、吸收层4、势垒层3、第二接触层2和盖层1；所述第一接触层5和吸收层4分别包含有多个依次叠设的第一材料层，所述第一材料层包括依次叠设的第一InAs材料层和第一GaSb材料层；所述势垒层3和第二接触层2分别包含有多个依次叠设的第二材料层，所述第二材料层包括依次叠设的第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层。本申请中的中波红外探测器能够有效地降低暗电流，进而提升探测器的工作性能。
需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
本申请中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中波红外探测器，其特征在于，所述中波红外探测器的器件结构包括：依次相连的衬底、缓冲层、第一接触层、吸收层、势垒层、第二接触层和盖层；
所述第一接触层和吸收层分别包含有多个依次叠设的第一材料层，所述第一材料层包括依次叠设的第一InAs材料层和第一GaSb材料层；
所述势垒层和第二接触层分别包含有多个依次叠设的第二材料层，所述第二材料层包括依次叠设的第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层。
2.根据权利要求1所述的中波红外探测器，其特征在于，所述第一接触层和吸收层中均设有Be；所述势垒层和第二接触层中均设有Si。
3.根据权利要求1所述的中波红外探测器，其特征在于，所述第一InAs材料层和第一GaSb材料层均为八层单分子层；
相对应的，所述吸收层中的禁带宽度为0.2213eV。
4.根据权利要求1所述的中波红外探测器，其特征在于，所述第二InAs材料层、第二GaSb材料层、AlSb材料层和第三GaSb材料层分别为十层单分子层、一层单分子层、五层单分子层和一层单分子层；
相对应的，所述势垒层中的禁带宽度为0.5725eV。
5.根据权利要求1所述的中波红外探测器，其特征在于，所述缓冲层和第一接触层之间还设有第一电极；
所述第二接触层和盖层之间还设有第二电极，以在所述第一电极和第二电极之间施加预设的偏压。
6.根据权利要求2所述的中波红外探测器，其特征在于，所述第一接触层上的所述Be的浓度为1×1017cm-3；
所述第二接触层上的所述Si的浓度为1×1017cm-3。
7.根据权利要求2所述的中波红外探测器，其特征在于，所述吸收层上的所述Be的浓度为1×1016cm-3；
所述势垒层上的所述Si的浓度为1×1016cm-3。
8.根据权利要求1所述的中波红外探测器，其特征在于，所述衬底和缓冲层由所述GaSb材料层构成；
所述盖层由所述InAs材料层构成。
9.一种中波红外探测器的探测方法，其特征在于，包括：
采用红外光学窗口接收红外辐射；
基于光学镜片对所述红外辐射进行聚焦；
采用中间滤光片对聚焦后的红外辐射进行滤波；
将滤波后的红外辐射照射到权利要求1至8任一项所述的中波红外探测器中包含的红外芯片；
采用所述红外芯片将滤波后的红外辐射转换为目标电流，并对所述目标电流进行电路运算以得到目标红外图像。
10.一种中波红外探测器的制备方法，其特征在于，包括：
基于分子束外延法将InAs、GaSb、AlSb和GaSb在各自对应的分子束炉中加热为定向分子束；
将所述InAs、GaSb、AlSb和GaSb各自对应的定向分子束入射至预先加热的衬底上进行薄膜生长以依次构建缓冲层、第一接触层、吸收层、势垒层、第二接触层和盖层，进而制备得到权利要求1至8任一项所述的中波红外探测器。
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