CN208596679U - 一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，包括：第一接触层，第一接触层的背面具有金属反射层，第一接触层的正面具有第一量子阱单元和第一电极，第一量子阱单元上具有公共接触层，公共接触层上具有第二量子阱单元和公共电极，第二量子阱单元上具有第二接触层，第二接触层上具有金属耦合光栅结构和第二电极，金属耦合光栅结构上具有石墨烯层；本实用新型中的量子阱红外探测器的吸收效率不仅相较于传统的量子阱红外探测器得到了大大地提高，而且还能实现中波频段和长波频段的红外光的探测，在实际环境中具有较大的应用价值；适用于半导体光电探测器领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体光电探测器的技术领域，具体涉及一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器。
背景技术
随着红外探测技术在军事领域和民用领域的广泛应用，小规模半导体红外光电检测器件的需求量不断增加。近年来，量子阱探测器受到广泛的关注。量子阱红外探测器通过量子阱结构域掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，利用量子阱导带(或价带)内子能带间或子能带到扩展态间的电子(或空穴)跃迁，这样在红外光的作用下，可以发生量子阱内子能级之间或者子能级到连续态之间的跃迁，这些受激发的载流子在偏压作用下被收集形成光电流；因此，量子阱红外探测器具有稳定性好、响应速度快、抗辐射和易制作大面积焦平面阵列等优点。
一般来说，在量子阱红外探测器中，单纯的量子阱单元不能直接吸收垂直入射的光，要想吸收垂直入射光，需要加入耦合结构，而普通的光栅耦合结构(例如：玻璃光栅)虽然对入射光具有反射和衍射作用，但是仅仅这样是不够的，其吸收率也不能满足红外光电探测器的应用需求。针对这个问题，传统的量子阱红外探测器采用的手段是使用金属光栅结构，金属光栅结构除了对入射光具有反射和衍射作用以外，还具有等离子体效应，能够将入射光耦合到底下的量子阱区域中。但是由于金属光栅结构本身的特性，会对入射光具有一定的衰减，尤其对于中长波段红外光来说，金属光栅结构对光的局域性非常小，大多数时候入射光还没来得及穿透量子阱层就已经衰减完毕，使得量子阱单元对入射光的吸收率非常低。此外，在传统的量子阱红外探测器中，量子阱单元通常直接生长在衬底上，当入射光入射到量子阱单元后，一部分入射光被吸收，经过量子阱吸收之后剩余的入射光在量子阱单元的最下层和衬底交接的地方会发生投射和反射，其中，反射光被反射回量子阱单元中进行再次吸收，而透射光从量子阱单元进入衬底中被消耗掉，因为透射光在传统的量子阱探测器中占据了一定的比例，所以导致传统的量子阱红外探测器吸收效率低下。
除此之外，传统的量子阱探测器因为量子阱单元结构固定，只能针对固定波长的红外光进行探测，在应用过程中具有很大的限制性，一个探测器不能实现多频段的探测。
实用新型内容
针对相关技术中存在的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于：提供一种能够实现中波红外和长波红外探测，且具有较高吸收效率的双波段量子阱红外探测器。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，包括：第一接触层，所述第一接触层的背面具有金属反射层，所述第一接触层的正面具有第一量子阱单元和第一电极，所述第一量子阱单元上具有公共接触层，所述公共接触层上具有第二量子阱单元和公共电极，所述第二量子阱单元上具有第二接触层，所述第二接触层上具有金属耦合光栅结构和第二电极，所述金属耦合光栅结构上具有石墨烯层。
优选地，所述金属耦合光栅结构包括：由多个金属块组成的阵列式结构，所述金属块为正方块，每个金属块的厚度为0.05μm～0.15μm，相邻两个金属块的同侧边之间的距离为0.55μm～1.15μm。
优选地，所述金属反射层的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
优选地，所述第一量子阱单元包括：上下设置的两层第一势垒层以及位于两层第一势垒层之间的第一势阱层，所述两层第一势垒层的制作材料均为Al0.21Ga0.79As材料，其厚度为10nm～50nm，所述第一势阱层的制作材料为GaAs材料，其厚度为1nm～9nm；所述第二量子阱单元包括：上下设置的两层第二势垒层以及位于两层第二势垒层之间的第二势阱层，所述两层第二势垒层的制作材料均为Al0.35Ga0.85As材料，其厚度为 4nm～10nm，所述第二势阱层的制作材料为GaAs材料，其厚度为30nm～60nm。
优选地，所述第一接触层的制作材料为n-GaAs材料，其厚度为100nm～200nm。
优选地，所述第二接触层的制作材料为n-GaAs材料，其厚度为100nm～200nm。
优选地，所述公共接触层的制作材料为n-GaAs材料，其厚度为100nm～200nm。
优选地，所述第一电极的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
优选地，所述第二电极的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
优选地，所述公共电极的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
本实用新型的有益技术效果在于：
本实用新型中的量子阱红外探测器是在第一接触层的正面设置第一量子阱单元作为长波红外光的吸收区，背面设置金属反射层，在第一量子阱单元的上方设置第二量子阱单元作为中波红外光的吸收区，在红外光的入射面设置了石墨烯层，由于石墨烯的等离子体增强效应需要光栅结构去激发，因此在石墨烯层的下方设置了金属耦合光栅结构，在整个探测器中，中波红外光的探测输出信号通过第二电极和公共电极导出至外部信号，长波红外光的探测输出信号通过第一电极和公共电极导出至外部信号；对于中长波段红外光来说，石墨烯及其底下的金属光栅结构不仅具有反射、衍射作用，还具有较强的等离子体增强效应，由于它们结合在一起对于中长波段红外光的衰减效力较小、局域性较大，能够很好地将入射光耦合到底下的量子阱区域中；此外，当石墨烯层的等离子增强效应被底下的金属光栅结构激发出来时，同时金属光栅结构本身也具有一定的等离子体增强效应，这种两个等离子体增强效应同时激发的混合结构，更加能够对入射光具有较强的局域性。
当中波频段的入射光入射到量子阱区域中后，一部分中波入射光被第二量子阱单元吸收，经过量子阱吸收之后剩余的入射光在第二量子阱单元的最下层和公共接触层交接的地方会发生投射和反射，其中，反射光被反射回第二量子阱单元中进行再次吸收，而透射光从第二量子阱单元进入下方的金属反射层，该金属反射层会将接收到的透射光又反射回第二量子阱单元中，使得中波频段的入射光能够最大程度地被局限在第二量子阱单元中，增强了第二量子阱单元对中波红外光的吸收率。
同理，当长波频段的入射光入射到量子阱区域中后，一部分长波入射光被第一量子阱单元吸收，经过量子阱吸收之后剩余的入射光在第一量子阱单元的最下层和第一接触层交接的地方会发生投射和反射，其中，反射光被反射回第一量子阱单元中进行再次吸收，而透射光从第一量子阱单元进入底下的金属反射层，该金属反射层会将接收到的透射光又反射回第一量子阱单元中，使得长波频段的入射光能够最大程度地被局限在第一量子阱单元中，增强了第一量子阱单元对中波红外光的吸收率。
综上，本实用新型中的量子阱红外探测器的吸收效率不仅相较于传统的量子阱红外探测器得到了大大地提高，而且还能实现中波频段和长波频段的红外光的探测，在实际环境中具有较大的应用价值。
附图说明
图1是本实用新型实施例一提供的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器的结构示意图；
图2是图1中金属耦合光栅结构的俯视示意图；
图3是本实用新型实施例一提供的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器的吸收率的仿真结果曲线图；
图中：101为第一接触层，102为金属反射层，1031为第一量子阱单元，1032为第二量子阱单元，104为第一电极，105为第二接触层，106为石墨烯层，107为第二电极，108为公共接触层，109为公共电极，110为金属耦合光栅结构。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1是本实用新型实施例一提供的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器的结构示意图，如图1所示，一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，可包括：第一接触层101，所述第一接触层101的背面具有金属反射层102，所述第一接触层的正面具有第一量子阱单元1031和第一电极104，所述第一量子阱单元1031上具有公共接触层108，所述公共接触层108上具有第二量子阱单元1032和公共电极109，所述第二量子阱单元1032上具有第二接触层105，所述第二接触层105上具有金属耦合光栅结构110和第二电极107，所述金属耦合光栅结构110上具有石墨烯层106。
本实施例中的量子阱红外探测器是在第一接触层101的正面设置第一量子阱单元1031作为长波红外光的吸收区，背面设置金属反射层102，在第一量子阱单元1031的上方设置第二量子阱单元1032作为中波红外光的吸收区，在红外光的入射面设置了石墨烯层106，由于石墨烯的等离子体增强效应需要光栅结构去激发，因此在石墨烯层 106的下方设置了金属耦合光栅结构110，在整个探测器中，中波红外光的探测输出信号通过第二电极107和公共电极109导出至外部信号，长波红外光的探测输出信号通过第一电极104和公共电极109导出至外部信号；对于中长波段红外光来说，石墨烯及其底下的金属光栅结构不仅具有反射、衍射作用，还具有较强的等离子体增强效应，由于它们结合在一起对于中长波段红外光的衰减效力较小、局域性较大，能够很好地将入射光耦合到底下的量子阱区域中；此外，当石墨烯层106的等离子增强效应被底下的金属光栅结构110激发出来时，同时金属光栅结构110本身也具有一定的等离子体增强效应，这种两个等离子体增强效应同时激发的混合结构，更加能够对入射光具有较强的局域性。
当中波频段的入射光入射到量子阱区域中后，一部分中波入射光被第二量子阱单元1032吸收，经过量子阱吸收之后剩余的入射光在第二量子阱单元1032的最下层和公共接触层108交接的地方会发生投射和反射，其中，反射光被反射回第二量子阱单元1032中进行再次吸收，而透射光从第二量子阱单元1032进入下方的金属反射层102，该金属反射层102会将接收到的透射光又反射回第二量子阱单元1032中，使得中波频段的入射光能够最大程度地被局限在第二量子阱单元1032中，增强了第二量子阱单元 1032对中波红外光的吸收率。
同理，当长波频段的入射光入射到量子阱区域中后，一部分长波入射光被第一量子阱单元1031吸收，经过量子阱吸收之后剩余的入射光在第一量子阱单元1031的最下层和第一接触层101交接的地方会发生投射和反射，其中，反射光被反射回第一量子阱单元1031中进行再次吸收，而透射光从第一量子阱单元1031进入底下的金属反射层102，该金属反射层102会将接收到的透射光又反射回第一量子阱单元1031中，使得长波频段的入射光能够最大程度地被局限在第一量子阱单元1031中，增强了第一量子阱单元1031对中波红外光的吸收率。
综上，本实用新型中的量子阱红外探测器的吸收效率不仅相较于传统的量子阱红外探测器得到了大大地提高，而且还能实现中波频段和长波频段的红外光的探测，在实际环境中具有较大的应用价值。
图2是图1中金属耦合光栅结构的俯视示意图，如图2所示：
进一步地，所述金属耦合光栅结构110可包括：由多个金属块组成的阵列式结构，所述金属块为正方块，每个金属块的厚度为0.05μm～0.15μm，相邻两个金属块的同侧边之间的距离为0.55μm～1.15μm(为图2中示出的b)。
具体地，所述的相邻两个金属块的同侧边之间的距离即为本领域中所谓的光栅结构的周期，每个金属块的厚度可为0.1μm，相邻两个金属块的同侧边之间的距离(光栅结构的周期)可为0.85μm。
进一步地，所述金属反射层102的制作材料可为Au材料，其厚度可为 50nm～150nm。
具体地，所述金属反射层102的厚度可为100nm。
进一步地，所述第一量子阱单元1031可包括：上下设置的两层第一势垒层以及位于两层第一势垒层之间的第一势阱层，所述两层第一势垒层的制作材料均为 Al0.21Ga0.79As材料，其厚度为10nm～50nm，所述第一势阱层的制作材料为GaAs材料，其厚度为1nm～9nm；所述第二量子阱单元1032可包括：上下设置的两层第二势垒层以及位于两层第二势垒层之间的第二势阱层，所述两层第二势垒层的制作材料均为 Al0.35Ga0.85As材料，其厚度为4nm～10nm，所述第二势阱层的制作材料为GaAs材料，其厚度为30nm～60nm。
具体地，所述两层第一势垒层的厚度均可为30nm，所述第一势阱层的厚度可为5nm；所述两层第二势垒层的厚度均可为7nm，所述第一势阱层的厚度可为46nm。
进一步地，所述第一接触层101的制作材料可为n-GaAs材料，其厚度可为 100nm～200nm。
具体地，所述第一接触层101的厚度可为150nm。
进一步地，所述第二接触层105的制作材料可为n-GaAs材料，其厚度可为 100nm～200nm。
具体地，所述第二接触层105的厚度可为150nm。
进一步地，所述公共接触层108的制作材料可为n-GaAs材料，其厚度可为 100nm～200nm。
具体地，所述公共接触层108的厚度可为150nm。
进一步地，所述第一电极104的制作材料可为Au材料，其厚度可为50nm～150nm。
具体地，所述第一电极104的厚度可为100nm。
进一步地，所述第二电极107的制作材料可为Au材料，其厚度可为50nm～150nm。
具体地，所述第二电极107的厚度可为100nm。
进一步地，所述公共电极109的制作材料可为Au材料，其厚度可为50nm～150nm。
具体地，所述公共电极109的厚度可为100nm。
图3是本实用新型实施例一提供的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器的吸收率的仿真结果曲线图，该仿真结果图中对应的探测器的参数为：每个金属块的厚度为0.1μm，相邻两个金属块的同侧边之间的距离为0.85μm，所述金属反射层102 的厚度为100nm，所述两层第一势垒层的厚度均为30nm，所述第一势阱层的厚度为 5nm，所述两层第二势垒层的厚度均为7nm，所述第一势阱层的厚度为46nm，所述第一接触层101的厚度为150nm，所述第二接触层105的厚度为150nm，所述公共接触层108的厚度为150nm，所述第一电极104的厚度为100nm。所述第二电极107的厚度为100nm，所述公共电极109的厚度为100nm。如图3所示，该探测器在4.2μm波长和11.5μm波长时具有较高的吸收峰值，吸收率分别为98％和99％，根据本领域中的常规公式可计算出其量子效率分别为19.3％和19.5％，光响应度分别为0.68A/W和 1.97A/W。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：包括：第一接触层(101)，所述第一接触层(101)的背面具有金属反射层(102)，所述第一接触层的正面具有第一量子阱单元(1031)和第一电极(104)，所述第一量子阱单元(1031)上具有公共接触层(108)，所述公共接触层(108)上具有第二量子阱单元(1032)和公共电极(109)，所述第二量子阱单元(1032)上具有第二接触层(105)，所述第二接触层(105)上具有金属耦合光栅结构(110)和第二电极(107)，所述金属耦合光栅结构(110)上具有石墨烯层(106)；
所述第一量子阱单元(1031)包括：上下设置的两层第一势垒层以及位于两层第一势垒层之间的第一势阱层，所述两层第一势垒层的制作材料均为Al0.21Ga0.79As材料，其厚度为10nm～50nm，所述第一势阱层的制作材料为GaAs材料，其厚度为1nm～9nm；
所述第二量子阱单元(1032)包括：上下设置的两层第二势垒层以及位于两层第二势垒层之间的第二势阱层，所述两层第二势垒层的制作材料均为Al0.35Ga0.85As材料，其厚度为4nm～10nm，所述第二势阱层的制作材料为GaAs材料，其厚度为30nm～60nm。
2.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述金属耦合光栅结构(110)包括：由多个金属块组成的阵列式结构，所述金属块为正方块，每个金属块的厚度为0.05μm～0.15μm，相邻两个金属块的同侧边之间的距离为0.55μm～1.15μm。
3.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述金属反射层(102)的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
4.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述第一接触层(101)的制作材料为n-GaAs材料，其厚度为100nm～200nm。
5.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述第二接触层(105)的制作材料为n-GaAs材料，其厚度为100nm～200nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述公共接触层(108)的制作材料为n-GaAs材料，其厚度为100nm～200nm。
7.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述第一电极(104)的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
8.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述第二电极(107)的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
9.根据权利要求1所述的一种具有高吸收率的双波段量子阱红外探测器，其特征在于：所述公共电极(109)的制作材料为Au材料，其厚度为50nm～150nm。
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