ES2297972A1 - Fotodetector de infrarrojos de banda intermedia y puntos cuanticos. - Google Patents

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Abstract

Fotodetector de infrarrojos de banda intermedia y puntos cuánticos.
El invento se refiere a un fotodetector de infrarrojos que contiene una región semiconductora con puntos cuánticos (1) con dopaje de tipo n en la región de barrera (2) y comprendida entre dos capas semiconductores de tipo n (3) y p (4). Cuando se absorben (5) fotones Infrarrojos, éstos crean transiciones electrónicas (6) desde los estados confinados en los puntos (7) hasta la banda de conducción (8). Esto provoca la aparición de un voltaje entre los contactos p (9) y n (10) del dispositivo o la producción de una corriente eléctrica. De cualquiera de las maneras, resulta posible la detección de la luz Infrarroja. Un filtro (12) evita que los fotones de alta energía (13) entren en el dispositivo y causen transiciones electrónicas (14) desde la banda de valencia (15) a la banda de conducción (8).

Description

Fotodetector de infrarrojos de banda intermedia y puntos cuánticos.
Sector técnico
Ingeniería de Telecomunicaciones (detección de señales infrarrojas, obtención de imágenes infrarrojas) medicina (medición de temperaturas de tejidos), militar (identificación de blancos).
Estado de la técnica
Los detectores de infrarrojos se clasifican tradicionalmente en dispositivos térmicos y fotónicos. En los dispositivos térmicos, la detección de radiación se basa en el cambio de temperatura que la absorción de radiación infrarroja (IR) provoca en algún componente sensible del fotodetector a cambios térmicos (un gas, una resistencia, un termopar, un material piezoeléctrico...). Ejemplos de este tipo de detectores son los detectores piroeléctricos, los detectores de célula de Golay, las termopilas y los bolómetros.
Los dispositivos fotónicos se caracterizan porque la absorción de radiación infrarroja está relacionada con la transición de electrones desde un estado de energía inferior a un nivel de energía superior. Los fotodetectores fotónicos de infrarrojos conocidos están basados bien en el uso de materiales de semiconductores de bajo gap, tales como el HgTe, el InSb, el InAs, CdHgTe ó en el uso de estructuras de baja dimensionalidad como los pozos o los puntos cuánticos. Esta patente trata de un nuevo detector fotónico de infrarrojos.
La estructura básica de un fotodetector de bajo gap se muestra en la Figura 2. Consta de una capa p (16) y otra n (17) entre las cuales se sitúa el semicondutor de bajo valor del gap (18), que puede o no estar dopado, además de unos contactos metálicos (19). La detección de radiación IR se basa en el efecto fotovoltaico. Así, cuando se absorbe un fotón de energía superior a la del gap, en el semiconductor de bajo gap se produce un bombeo de un electrón desde la banda de valencia a la banda de conducción (28). La radiación IR puede detectarse bien como fotocorriente (mejor, si el dispositivo se encuentra cortocircuitado) o como fotovoltaje (mejor cuando el dispositivo se encuentra en circuito abierto). Un detector de infrarrojos basado en el uso de materiales semiconductores de bajo valor del gap se basa en la existencia natural de un semiconductor cuyo bandgap se ajuste al valor de la radiación que se desea detectar.
En la Figura 3 se muestra la estructura básica de un fotodetector convencional basado en estructuras de baja dimensionalidad. En este caso, una estructura de múltiples pozos cuánticos o incluso una región de puntos cuánticos (20) se introduce entre dos capas semiconductoras caracterizadas por el mismo tipo de dopaje (21), normalmente de tipo n, con contactos metálicos sobre ellas (22). Es a este tipo de detector al que pertenece, por ejemplo, las patentes US6452242, US0017176, US0094597 y US6239449 basadas en la utilización de puntos cuánticos. La detección de luz en estos dispositivos se basa en el cambio en la conductividad por electrones. Permiten, además, ajustar la longitud de onda a detectar mediante el cambio de las dimensiones de la estructura cuántica. Así, cuando se absorbe un fotón infrarrojo (25) (Figura 4) se bombea un electrón desde los estados confinados (26) a la banda de conducción (27). El proceso se llama normalmente absorción inter-subbanda e incrementa el número de electrones en la banda de conducción (27) y, por lo tanto, la conductividad por electrones lo que en último extremo permitirá la detección de la radiación infrarroja.
Para que la absorción del fotón infrarrojo sea posible, se dopa el material barrera (23) con el fin de poblar con electrones los estados confinados (26). Un inconveniente específico asociado a la utilización de pozos cuánticos es que, debido a las reglas de selección ópticas, no es posible la absorción de luz para incidencia normal, circunstancia que puede solventarse mediante la utilización de puntos cuánticos. Un inconveniente general de estos fotodetectores es que no permiten la detección de luz en el modo fotovoltaico (esto es, sin la aplicación de un voltaje entre los terminales del dispositivo). Esta circunstancia degrada la detectividad (capacidad para discriminar la señal del ruido) del fotodetector y hace necesario el enfriamiento del dispositivo para mejorarla. Sea como fuere, en la literatura científica se ha referido la detección de luz en modo fotovoltaico en estos dispositivos, si bien, esta detección se ha considerado accidental permaneciendo todavía las razones físicas de tal comportamiento sin comprenderse bien.
El semiconductor (23) que rodea la estructura cuántica (24) - los pozos o los puntos - se denomina material barrera y posee un gap mayor que el de las capas de contacto (21). Si las capas de contacto tuviesen un gap mayor que el material barrera, serían las que dominarían la resistencia del dispositivo al bloquear la extracción de corriente en lugar de estar ésta controlada por la modulación de conductividad provocada por la absorción de radiación IR. Debe hacerse énfasis en el hecho de que en estos dispositivos las dos capas de contacto (21) tengan el mismo tipo de dopaje a la hora de diferenciarlo de nuestra invención. Como quedará en breve de manifiesto, nuestra invención, con una estructura en apariencia similar a la que acabamos de describir, se caracteriza, sin embargo, porque las capas que encierran a la estructura cuántica son de diferente tipo la una de la otra (p y n). Además, para un mejor funcionamiento su gap debe ser mayor que el del material barrera.
Cuando los dos tipos de fotodetectores que acabamos de mencionar se comparan el uno con el otro, los basados en materiales semiconductores de bajo gap tienen la ventaja de ser capaces de operar en el modo fotovoltaico lo que implica que posean una mejor detectividad. Sin embargo, solo unos pocos compuestos semiconductores están disponibles. Por el contrario, los detectores basados en estructuras cuánticas de baja dimensionalidad no están pensados para trabajar en el modo fotovoltaico y, por lo tanto, en principio poseen una peor detectividad. En cambio, ofrecen un espectro más amplio detección de longitudes de onda ya que ésta puede seleccionarse cambiando las dimensiones de las estructuras cuánticas.
La invención que se describirá aquí combina lo mejor de ambos tipos de dispositivo. Por un lado, está concebida para funcionar en el modo fotovoltaico. Por otro, el uso de puntos cuánticos permite ajustar la longitud de onda a detectar.
Para que esta combinación de características sea posible, nuestro invento explota las propiedades físicas que en la literatura se han predicho para los materiales de banda intermedia. Estos están caracterizados por la existencia de una banda electrónica intermedia dentro de lo que de otro modo seria un gap de semiconductor convencional.
Los materiales de banda intermedia son todavía un concepto teórico. Han aparecido, sin embargo, algunos trabajos, que proponen su síntesis mediante Ga_{x}AsTi_{1-x}, aleaciones de II-O_{x}-VI_{1-x} altamente desacopladas e incluso puntos cuánticos. En algunos casos se han mostrado resultados experimentales que demuestran la existencia de esta banda intermedia.
En lo que se refiere al uso de puntos cuánticos para la detección de luz infrarroja, difiere de otras patentes, como por ejemplo las antes mencionadas US6452242, US0017176, US0094597 y US6239449, que también utilizan puntos cuánticos para detectar la radiación infrarroja, en que los denominados "emisores", (3) y (4) en nuestra patente tienen diferente dopaje (uno es de tipo p y el otro de tipo n) mientras que en US6239449 son del mismo tipo (ambos tipo n o ambos tipo p). Lejos de ser un cambio menor, como se comprenderá mejor de la descripción de la invención del siguiente apartado, resulta ser una modificación fundamental a efectos de lo que nuestra invención concierne ya que si los "emisores" tuviesen el mismo tipo de dopaje nuestra invención no explotaría el principio físico de la banda intermedia. Así, en nuestra invención, los portadores de carga que se bombean gracias a la radicación infrarroja a niveles de energía más altos se reemplazan, no por portadores procedentes del "emisor" sino por portadores procedentes de la banda de valencia.
Difiere, además de en lo anterior (funcionar bajo el principio de operación de la banda intermedia), de otras patentes como US6657195, US6642537, US6531700, US136909 en que éstas utilizan pozos cuánticos para la detección de la radiación infrarroja mientras que nuestra invención propone el uso de puntos cuánticos. Como se verá, los pozos cuánticos no proporcionan la densidad de estados nula entre los estados confinados y la banda de conducción que nuestra invención requiere.
Descripción de la invención
Nuestra invención consiste en un dispositivo capaz de detectar la radiación infrarroja mediante la producción de una corriente eléctrica o un voltaje y que comprende una capa de semiconductor de tipo p (que denominamos emisor p) una capa de semiconductor de tipo n (que denominamos emisor n) y entre las capas anteriores, una o más capas de puntos cuánticos separadas entre sí por capas de semiconductor barrera. En este dispositivo, los niveles energéticos correspondientes a los electrones confinados en los puntos se originan a partir de un potencial de confinamiento creado por los puntos cuánticos bien en la banda de conducción o bien en la banda de valencia. A diferencia de otros dispositivos detectores que utilizan puntos cuánticos, en nuestro invento, la detección de radiación no se realiza gracias a un cambio de conductividad en el material inducido por la absorción de radiación infrarroja sino gracias a la explotación del efecto fotovoltaico producido por la banda intermedia creada a partir de los puntos cuánticos. Además, por esta razón, su funcionamiento es posible sin necesidad de polarización externa.
Descripción de los dibujos
Figura 1. Estructura básica de un fotodetector QDIB-IR.
Figura 2. Estructura básica de un fotodetector basado en un semiconductor de bajo gap. El dibujo inferior muestra su estructura de bandas simplificada.
Figura 3. Estructura básica de un fotodetector basado en estructuras cuánticas de baja dimensionalidad y cambio en la conductividad por incidencia de la radiación. El dibujo de la parte inferior muestra su estructura de bandas simplificada.
Figura 4. Detalle del diagrama de bandas simplificado en el entorno de un punto cuántico.
Figura 5. Diagrama de bandas simplificado de un fotodetector QDIB-IR funcionando en condiciones de circuito abierto (modo voltaje).
Figura 6. Diagrama de bandas simplificado de un fotodetector QDIB-IR funcionando en condiciones de cortocircuito (modo corriente).
Figura 7. Estructura mejorada de un fotodetector QDIB-IR que incluye capas de amortiguamiento, de pasivación y de contacto así como un reflector posterior.
Figura 8. Variante de la estructura del fotodetector QDIB-IR en la que el emisor frontal no cubre completamente la cara frontal.
Figura 9. Variante de la estructura del fotodetector QDIB-IR en la que ambos contactos se han situado en la cara posterior.
Figure 10. Estructura de capas correspondiente al modo de fabricación preferente del fotodetector QDIB-IR.
Figura 11. Esquema que muestra los pasos finales de la fabricación de un fotodetector QDIB-IR.
Figura 12. Salida de corriente experimental de un fotodetector QDIB-IR en función del flujo de fotones incidente.
Figura 13. Salida de voltaje experimental de un fotodetector QDIB-IR en función de la irradiancia infrarroja a la entrada.
Descripción detallada de la invención
Denominamos a nuestra invención "fotodetector de infrarrojos de banda intermedia por puntos cuánticos" (QDIB-IR). La figura 1 muestra su estructura básica. Consta de una región semiconductora (1) con puntos cuánticos (11) embebidos en ella y comprendida entre dos regiones semiconductoras denominadas "emisores". Uno de estos emisores es de tipo p (4) y el otro es de tipo n (3). Sobre estos emisores se colocan los contactos metálicos (9) y (10). El contacto que se coloca sobre la cara frontal (9), esto es, sobre la cara que ha de recibir la radiación infrarroja (5) no debe cubrir completamente este área con el fin de permitir el paso de la radiación. Típicamente, deberá tener la forma de una rejilla.
El material que constituye los puntos (11) se denomina "material punto" y el material que los rodea, "material barrera" (2). Están fabricados con diferentes semiconductores, normalmente caracterizados por un valor diferente de sus gaps respectivos. Cuando se escogen adecuadamente dan lugar a un diagrama de bandas simplificado como el que se muestra también en la Figura 1 pero de forma más detallada en la Figura 4. La estructura de bandas dibujada se caracteriza por la aparición de una barrera de energía para los electrones en la banda de conducción. La altura de esta barrera (29) se conoce como "profundidad del pozo de potencial" sin importar que lo que se esté describiendo sean pozos, hilos o puntos cuánticos. Conceptualmente este invento funcionará también si el potencial de confinamiento aparece en la banda de valencia. Por otro lado, el ejemplo escogido a efectos de ilustración se conoce como heteroestructura de tipo I pero otros tipos de heteroestructuras, como las de tipo II, pueden funcionar también a efectos de lo que a esta invención concierne. Las heteroestructuras de tipo II se caracterizan porque la banda de conducción del material punto cae por debajo de la banda de valencia del material barrera o la banda de conducción del material barrera cae por debajo de la banda de valencia del material punto. El hecho de que estemos hablando específicamente de "puntos" implica que el material barrera rodea completamente al material punto.
Las pequeñas dimensiones de los puntos, en el rango de unos pocos nanómetros, provoca el confinamiento cuántico de los electrones en el punto. Este confinamiento se caracteriza porque únicamente quedan permitidos para los electrones unos pocos niveles de energía (7) dentro del rango de energías que comprende el pozo de potencial (29). Si el punto es lo suficientemente pequeño, es posible alcanzar la situación ideal en la que solamente exista uno de estos niveles. Si se utilizan materiales semiconductores intrínsecos, en condiciones de equilibrio estos niveles estarán vacíos de electrones. A efectos de lo que a esta invención concierne, es necesario que estos niveles no estén vacíos de electrones. Para ello se dopa la barrera (11) con dopaje de tipo n de modo que por medio del efecto físico conocido como modulación de dopaje, el electrón se transfiera desde la impureza al nivel confinado. La densidad de dopaje introducido en la barrera ha de ser del orden de la densidad de puntos. Una densidad mucho mayor podría llenar demasiados estados en la banda de conducción y, por lo tanto, degradar la absorción de fotones ya que son necesarios estados vacíos en la banda de conducción para poder recibir los electrones bombeados desde los estados confinados. Recíprocamente, una densidad de dopaje demasiado baja puede llenar de forma insuficiente los estados confinados y, de nuevo, impedir la absorción de fotones debido a la ausencia de electrones que bombear a la banda de conducción. El dopaje dentro del punto puede producir el mismo efecto de llenado con electrones de los niveles confinados. Sin embargo, la introducción de dopaje dentro del punto se considera tecnológicamente más difícil que el dopaje en la barrera. Alternativamente, si la estructura del fotodetector QDIB-IR se hubiese basado en el confinamiento de electrones en la banda de valencia en vez de su confinamiento en la banda de conducción, se hubiese requerido dopaje de tipo p, bien en la barrera o en los puntos, con las mismas consideraciones anteriores, si bien ahora con el fin de suministrar huecos a los estados confinados. Esto es debido al hecho de que, en este caso, se requerirían huecos en los estados confinados para recibir los electrones que desde la banda de valencia serian bombeados por la radiación
infrarroja.
Cuando se considera más de un punto, la colección de estados confinados en los puntos da lugar a la formación de una banda, en particular, si los puntos se colocan en una disposición periódica. A esta banda se la conoce en la literatura como banda intermedia. Con el fin de que esta banda quede separada de forma efectiva de la banda de conducción, donde, "de forma efectiva" significa que exista una densidad nula de estados entre ambas, la utilización de puntos cuánticos resulta imperativa. Nuestra invención requiere que la densidad de estados entre la banda de conducción y la banda intermedia sea nula. Los pozos o los hilos cuánticos no proporcionan tal densidad nula de estados.
En esta invención nos referiremos de forma equivalente a la colección de estados confinados como banda intermedia. Las bandas de conducción, intermedia y de valencia poseen cada una de ellas su propio cuasi-nivel de Fermi con el fin de describir la concentración de electrones en cada una de ellas, a saber, el cuasi-nivel de Fermi de la banda de conducción (30), el cuasi-nivel de Fermi de la banda intermedia (31) y el cuasi-nivel de Fermi de la banda de valencia (32). Con una densidad de puntos elevada, puede conseguirse que el cuasi-nivel de Fermi asociado a la banda intermedia (31) permanezca fijado a su posición de equilibrio, que es la misma posición que la de la banda intermedia, incluso cuando el dispositivo se polariza o se ilumina.
La longitud de onda de la radiación IR que será detectada de forma efectiva mediante este fotodetector es aquella cuya energía correspondiente se sitúa en el orden de magnitud de la energía que separa la banda intermedia (7) de la banda de conducción (8). Cambiando las dimensiones de los puntos es posible cambiar el nivel de energía de los estados confinados y, por lo tanto, ajustar el valor de la longitud de onda a detectar.
Cuando un fotón infrarrojo incide sobre el fotodetector y es absorbido, provoca una transición electrónica (6) desde la banda intermedia (7) hasta la banda de conducción (8), un proceso que normalmente de conoce como transición inter-subbanda. Para detectar este proceso de absorción y, en consecuencia, detectar la radiación infrarroja, el fotodetector puede hacerse funcionar tanto en modo voltaje como en modo corriente.
En el modo voltaje, el fotodetector se dispone en circuito abierto. La figura 5 muestra el diagrama de bandas del dispositivo funcionando en este modo. La transición de electrones desde la banda intermedia a la banda de conducción (8) eleva el cuasi-nivel de Fermi de electrones en la banda de conducción (30). Sin necesidad de radiación externa adicional por encima de la que se recibe del ambiente, los procesos térmicos bombean electrones desde la banda de valencia hasta la banda intermedia (34). Como es sabido, en equilibrio, estos procesos quedan exactamente compensados por los procesos inversos o procesos de recombinación (35). Sin embargo, cuando la radiación infrarroja bombea electrones desde la banda intermedia a la de conducción, se rompe el equilibrio y el cuasi-nivel de Fermi de la banda de valencia (32) también se eleva por encima del nivel del de la banda intermedia (31). La diferencia de valores entre el cuasi-nivel de Fermi de la banda de conducción y el de la banda de valencia corresponde al voltaje de salida del dispositivo (multiplicado por el valor de la carga del electrón).
En el modo corriente, el fotodetector se cortocircuita (Figura 6). En este caso, la absorción de los fotones infrarrojos también causa transiciones electrónicas desde la banda intermedia a la banda de conducción (6) elevando el cuasi-nivel de Fermi de la banda de conducción (30) al igual que en el caso anterior. Dado que ahora el fotodetector se encuentra cortocircuitado, el voltaje de salida es cero y el cuasi-nivel de Fermi de la banda de valencia (32) iguala al cuasi-nivel de Fermi de la banda de conducción. La recombinación de electrones (35) entre la banda intermedia y la banda de valencia se reduce y se extrae una corriente que está limitada por los procesos de generación (34) entre la banda de valencia y la banda intermedia. Esta corriente corresponde a electrones (36) que salen del contacto n y que igualan el número de huecos que por unidad de tiempo salen del contacto p (37).
El detector QDIB-IR comparte con los detectores de bajo gap su capacidad para operar en el modo fotovoltaico y, en consecuencia, un potencial para una detectividad alta que podría permitirle operar a temperatura elevadas donde otros detectores requieren refrigeración. Comparte con los detectores basados en cambio de conductividad, también realizados con estructuras cuánticas de baja dimensionalidad, el hecho de que el gap umbral de absorción de la radiación infrarroja puede ajustarse mediante la modificación del tamaño de los puntos. Ambas ventajas aparecen combinadas en nuestro dispositivo que además es capaz de detectar la radiación con incidencia
normal.
Para explotar plenamente el potencial del dispositivo para exhibir una alta detectividad, debe colocarse un filtro en la cara frontal del dispositivo que recibe la radiación de modo que bloquee el paso de fotones de alta energía. Como es sabido, la detectividad mejora si no se obtiene corriente (o voltaje) del dispositivo cuando éste no se encuentra iluminado con la radiación que ha de detectar. Así, para un mejor funcionamiento desde el punto de vista de la detectividad, este filtro debería bloquear en concreto el paso de fotones con una energía igual o superior que la energía del gap que separa la banda intermedia de la banda de valencia (38).
Sin embargo, es posible expandir el ancho de banda de este filtro, sacrificando parte del potencial de detectividad, con el fin de obtener alguna ventaja adicional. En este sentido, se mencionó con anterioridad, que la corriente del fotodetector estaba limitada por la generación térmica entre la banda de valencia y la banda intermedia (34). Este límite puede incrementarse, por un lado, mediante la elección de materiales que den lugar a un bajo valor del gap entre la banda de valencia y la banda intermedia (38) ya que esta generación térmica depende exponencialmente de este gap. Por otro lado, este límite puede aumentarse permitiendo que la iluminación externa penetre en el dispositivo. Esta iluminación externa puede ser aquella procedente de forma accidental de fuentes de luz ambientales (bombillas, el Sol...) o procedente específicamente de una fuente de luz dedicada como pueda ser la de un diodo emisor de luz (LED) o un láser.
Cuando la radiación ambiente constituya la opción elegida, será necesario incrementar la anchura de banda del filtro situado en la parte frontal del dispositivo (12, Figural) para permitir que los fotones con energía superior al gap que separa la banda de valencia de la banda intermedia (38) alcancen también al dispositivo pero queden todavía bloqueados los fotones cuya energía es igual o mayor que la energía del gap que separa la banda de valencia de la banda de conducción (39). La detectividad se reduce porque en estas circunstancias, incluso cuando la radiación IR no está presente, se extraería corriente del dispositivo. Esta corriente tiene su origen en la iluminación externa que bombea electrones desde la banda de valencia a la banda intermedia (34) y a la generación térmica que bombea electrones desde la banda intermedia a la banda de conducción (6).
En circunstancias en las que la detectividad no sea un tema de preocupación, el filtro frontal (12) puede suprimirse. En esta situación, incluso cuando la radiación infrarroja no esté presente se extraería corriente de la célula ya que, además de los mecanismos descritos con anterioridad, la radiación externa no infrarroja podría bombear electrones directamente desde la banda de valencia a la banda de conducción (14).
De este modo, como ya se ha anticipado, mientras que en los otros fotodetectores que usan estructuras de baja dimensionalidad los emisores son del mismo tipo (21) - digamos n - y poseen un gap más pequeño que el del material barrera, nuestro invento funciona con emisores de distinto tipo (p y n) y funciona mejor si los emisores poseen un valor del gap alto. Un valor alto del gap disminuye la recombinación en los emisores y, en consecuencia mejora (disminuye) la corriente de oscuridad del dispositivo. Esta circunstancia se traduce en una mayor ganancia del fotodetector.
En la detección en modo corriente, el dispositivo podría operarse bajo polarización inversa. Esto seria, sin embargo, a expensas de algún sacrificio de la detectividad del dispositivo. Esta circunstancia es debida, de nuevo, a que incluso en condiciones en las que el dispositivo no se ilumina con radiación infrarroja se extraería corriente del dispositivo, a saber, la corriente inversa de saturación. Esta corriente tiene su origen físico en los procesos de generación térmica entre las bandas como son, por ejemplo, los que tienen lugar entre la banda de valencia y la de conducción.
Son posibles algunos refinamientos adicionales de la estructura del dispositivo (Figura 7). En este sentido, debido a la curvatura de las bandas que tiene lugar en las regiones de puntos cuánticos próximas a los emisores, los puntos que se encuentran cerca del emisor p (4) se encontrarán vacíos de electrones mientras que los puntos que se encuentren próximos al emisor n (3) se encontrarán completamente llenos. Por un lado, los puntos vacíos de electrones no serán útiles para la detección de luz infrarroja ya que el electrón que se requiere para ser bombeado a la banda de conducción no se encuentra disponible. En aquellos casos en los que por razones técnicas o prácticas solo sea posible el crecimiento de un número limitado de capas de puntos cuánticos es deseable dedicar estas capas a la absorción de radiación infrarroja más que a sostener la curvatura de las bandas. En lugar de estas capas de puntos, se puede crecer una capa de tipo n (40) en la región que está próxima al emisor p para sostener esta curvatura. Por otro lado, esta curvatura de las bandas en las zonas de carga espacial también modifica la forma del potencial de confinamiento de los electrones en los puntos y, en consecuencia, la posición de los niveles de energía. Esta circunstancia incrementa la dificultad para ajustar la longitud de onda que se desea detectar. En cualquier caso, se pueden insertar capas semiconductoras convencionales de tipo p (41) y n (40) adyacentes a los emisores n y p respectivamente para sostener la curvatura de las bandas en las correspondientes zonas de carga espacial en vez de capas de puntos cuánticos (1). Nosotros denominamos a estas capas, capas de "amortiguación".
También se podría colocar un reflector de infrarrojos (42) en la parte posterior del dispositivo con el fin de reflejar de nuevo hacia la región que contiene los puntos cuánticos los fotones que no hayan resultado absorbidos. En este caso, el contacto metálico posterior (10) debería adquirir también la forma de una rejilla.
Por otro lado, se podrían añadir aún más capas semiconductoras adicionales para completar la estructura del dispositivo. Por ejemplo, podrían ser capas dedicadas a reducir la velocidad de recombinación superficial (43) tales como el AlGaAs, por ejemplo, en el caso de que los emisores se fabriquen de GaAs o capas altamente dopadas (44) que colocadas debajo de los contactos metálicos mejorasen su calidad. Estas capas de contacto, realizadas con un semiconductor de gap alto, serían transparentes a la radiación infrarroja y, en consecuencia, podrían no suponer ninguna degradación significativa en el funcionamiento del dispositivo aunque cubriesen completamente la cara frontal del mismo en vez de restringirse a las regiones situadas directamente por debajo de los contactos metálicos. En la práctica, dependiendo del valor de la longitud de onda a detectar, podría no ser el caso dado que el alto valor de su dopaje podría provocar que los procesos de absorción por electrones libres en esta capa bloquease el paso de la
radiación.
Finalmente debe mencionarse que no resulta fundamental para el funcionamiento del dispositivo que los emisores tengan la forma de capas. Solo es necesario que exista al menos una región p y otra n. Es posible sacar ventaja de este hecho como se muestra, por ejemplo, en la Figura 8 donde el emisor p (45) ha quedado reducido a ocupar la región situada debajo de los contactos. La superficie de la región que contiene los puntos cuánticos (1), ahora expuesta directamente a la radiación infrarroja, debería ser pasivada (46). Esta geometría también saca ventaja de la circunstancia derivada del hecho de que la corriente que se extrae del fotodetector es pequeña de modo que pueden tolerarse resistencias series más elevadas que en otros dispositivos optoelectrónicos como, por ejemplo, las células solares, más aún si el dispositivo se hace funcionar en el modo voltaje. Debe tenerse en cuenta, no obstante, que una mayor resistencia serie del dispositivo empeorará la detectividad del dispositivo al incrementar su ruido interno. El concepto puede llevarse al límite de localizar tanto el contacto p (47) como el contacto n (48) en la parte posterior del dispositivo (Figura 9). De este modo, se evita la el ensombrecimiento introducido por la rejilla frontal incrementándose la ganancia del dispositivo.
Modo de realización preferente
Los detalles correspondientes al modo de realización preferente se explicarán con la ayuda de la Figura 10.
En un sistema de epitaxia de haces moleculares (MBE) se crece una capa "buffer" (49) n^{+} (dopada con silicio con una concentración de 10^{18} cm^{-3} de GaAs de 0,1 \mum de espesor sobre un substrato (50) de tipo n (5 \times 10^{17} cm^{-3}). Esta capa (49) actuará también como capa de campo superficial posterior ("back surface field") a efectos de reducir la velocidad de recombinación superficial posterior. A continuación, de forma sucesiva, se crecen las siguientes capas sobre la anterior:
a) Una capa de 0.3 \mum de espesor de GaAs tipo n, dopada con silicio con un concentración de impurezas de 10^{18} cm^{-3} (51). Esta capa forma el emisor n descrito en la invención.
b) Una capa de 5 nm de espesor de GaAs sin dopar (52).
c) Una capa de dopaje tipo delta de silicio con una concentración de 4 \times 10^{10} cm^{-2} (53).
d) Una capa de 5 nm de espesor de GaAs sin dopar (52).
e) 2,7 capas monoatómicas de InAs (54). Debido a la diferencia de constantes de red entre el InAs y el GaAs, esta capa se convierte en una capa de puntos cuánticos según el proceso conocido en la literatura como de Stranski-Krastanov. La densidad esperada de puntos es de 4 \times 10^{10} cm^{-2}.
f) Los procesos "b" a "e" se repiten 20 veces dando lugar a la estructura de capas que se ha rotulado con el número 59 en la Figura 9.
g) Una capa de 5 nm de espesor de GaAs sin dopar (52).
h) Una capa de dopaje tipo delta de silicio con una concentración de 4 \times 10^{10} cm^{-2} (53).
i) Una capa de 5 nm de espesor de GaAs sin dopar (52).
j) Una capa de GaAs de tipo p, dopada con Be con una concentración de 2 \times 10^{18} cm^{-3} y un espesor de 0,2 \mum (56). Esta capa constituye el emisor p (4) descrito en nuestra invención.
k) Una capa de GaAs de tipo p, dopada con Be con una concentración de 1 \times 10^{19} cm^{-3} y un espesor de 0,1 \mum (57). La misión de esta capa es la de favorecer el contacto metálico.
1) Una capa de Al_{0.8}Ga_{0.2}As de tipo p, dopada con Be con una concentración de 1 \times 10^{19} cm^{-3} y un espesor de 50 nm (58). La misión de esta capa es la de pasivar el emisor frontal.
Continuamos ahora nuestra descripción con la ayuda de la Figura 11. Mediante el uso de técnicas convencionales de fotolitografía y un ataque químico controlado, se remueve la capa del AlGaAs de forma selectiva de la superficie (59). En los huecos creados se deposita Ti/Pd/Au mediante una combinación de procedimientos de fotolitografía y "lift-off" (60). Nuevamente mediante el uso de técnicas fotolitográficas, se aíslan los dispositivos unos de otros mediante la realización de mesas (61). Finalmente se deposita metal en la parte posterior del dispositivo para formar el contacto sobre el lado n (62).
Se han fabricado dispositivos según la receta anterior y se han medido como detectores de infrarrojos tanto en el modo voltaje como en el modo corriente. Para ello se han iluminado con incidencia normal con una fuente de radiación de cuerpo negro a 850ºC filtrada con un filtro de 400 \mum de GaSb sin dopaje intencional que desempeña el papel del filtro (12). Este filtro bloquea la radiación por debajo de 1700 nm. Los dispositivos se han hecho funcionar a temperatura ambiente. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 12 (para el modo corriente) y en la Figura 13 (para el modo voltaje) y demuestran el funcionamiento de los dispositivos como detectores de infrarrojos.
Aplicación industrial
El fotodetector QDIB-IR puede usarse para detectar radiación infrarroja, tanto en la región del infrarrojo de alta longitud de onda (1-30 \mum) como en la región correspondiente al infrarrojo lejano (más de 30 \mum) dependiendo del tamaño de los puntos. Esta capacidad para detectar luz infrarroja les confiere utilidad para fabricar analizadores de gas y moléculas, detectores de llama y cámaras térmicas.
En los analizadores de moléculas, el fotodetector QDIB-IR se usaría junto a una fuente de infrarrojos y un monocromador. En primer lugar, el monocromador escanearía la fuente de luz infrarroja focalizándola sobre el fotodetector. El gas o la dilución objeto de estudio se insertaría entre la salida del monocromador y el fotodetector. Con anterioridad, ninguna muestra o una muestra calibrada, se habría insertado con el objeto de establecer la referencia para la
medida.
Registrando la salida del fotodetector en función de la longitud de onda y comparando el resultado con la referencia es posible determinar a qué longitud o longitudes de onda tiene lugar la absorción infrarroja. En este sentido, dado que cada molécula posee su propia firma de absorción, es posible identificar el tipo de molécula presente en la muestra e incluso su concentración ya que esta última es función de la intensidad con que tiene lugar la absorción. Alternativamente, en vez de un sistema basado en un monocromador pueden usarse técnicas basadas en la transformada de Fourier de la radiación infrarroja (FTIR).
Como detector de fuego o de llama, el QDIB-IR monitorizaria continuamente el objeto a vigilar. Cuando empieza un fuego, el fenómeno es seguido por un aumento de la temperatura y, en consecuencia, por un aumento de la radiación infrarroja que el fotodetector QDIB-IR registraría. Sin necesidad de que exista una llama o un fuego, el QDIB-IR podría también utilizarse para realizar medidas de temperatura sin contactos.
Dado que el QDIB-IR puede detectar radiación con incidencia normal al plano de crecimiento, podría integrarse en una misma oblea una matriz de estos dispositivos constituyendo los pixeles de un dispositivo formador de imágenes. Más aún, algunos de los fotodetectores de la matriz pueden diseñarse para detectar principalmente la radiación a una longitud de onda dada mientras que otros pueden diseñarse para hacerlo a otra diferente. De esta forma podría fabricarse una matriz de detección multicolor. De un modo o de otro, la matriz constituiría el elemento básico de una cámara térmica con aplicaciones militares (detección de blancos) y médicas (identificación de tejidos dañados). La utilización de QDIB-IR también relajaría la necesidad de refrigerar el dispositivo detector.

Claims (14)

1. Dispositivo fotodetector de radiación infrarroja mediante la producción de una corriente eléctrica o un voltaje que comprende:
una capa de semiconductor de tipo p (4), que denominamos emisor p;
una capa de semiconductor de tipo n (3), que denominamos emisor n;
entre las capas anteriores, una o más capas de puntos cuánticos (11) separadas
entre sí por capas de semiconductor barrera (2);
y donde los niveles energéticos (7) correspondientes a los electrones confinados en los puntos cuánticos se originan a partir de un potencial de confinamiento creado por un punto cuántico bien en la banda de conducción o bien en la banda de valencia.
2. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según la reivindicación 1 caracterizado porque la estructura de bandas de los puntos es bien de tipo I ó bien de tipo II.
3. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 2 caracterizado porque las capas de semiconductor barrera o los puntos se dopan para llenar los estados confinados con electrones o huecos.
4. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque el emisor que primero recibe la radiación infrarroja es bien de tipo p ó bien de tipo n.
5. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el que el emisor que recibe la radiación esta recubierto por una rejilla metálica que realiza el contacto eléctrico sobre este emisor a la vez que permite el paso de la radiación infrarroja hacia el interior de la estructura.
6. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque las capas que constituyen los emisores p y n pueden sustituirse por una región de tipo p y otra de tipo n en la parte trasera del dispositivo.
7. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque los emisores de tipo p ó n pueden poseer un gap mayor que el semiconductor que constituye el material barrera.
8. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque se puede insertar una capa semiconductora de tipo n entre el emisor p y la región que contiene las capas de puntos cuánticos y las capas de semiconductor barrera.
9. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque puede insertar una capa semiconductora de tipo p entre el emisor n y la región que contiene las capas de puntos cuánticos y las capas de semiconductor barrera.
10. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado porque los emisores poseen una capa semiconductora (43) que reduce la velocidad de recombinación superficial de su superficie.
11. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 10 caracterizado por poseer un reflector de radiación infrarroja localizado en su cara posterior con el fin de reflejar hacia la región que contiene los puntos cuánticos los fotones que no hubiesen sido absorbidos.
12. Dispositivo fotodetector de infrarrojos, según las reivindicaciones 1 a 11 caracterizado por poseer un filtro (12) que permite únicamente el paso de radiación infrarroja hacia la cara que recibe la radiación.
13. Un método para convertir la luz en señales eléctricas, utilizando el dispositivo descrito en las reivindicaciones 1 a 12, que consiste en que los fotones de la radiación infrarroja a detectar bombean electrones (6) desde los niveles energéticos creados por los electrones confinados en los puntos a los niveles superiores de energía y que es asistida por un bombeo de electrones desde los niveles de energía inferiores a los niveles de energía de los electrones confinados (34) que, bien tiene carácter térmico, o es propiciado por una fuente de luz externa al dispositivo.
14. Método, según la reivindicación 13, caracterizado porque los fotones de la radiación infrarroja a detectar bombean electrones desde niveles energéticos inferiores a los niveles energéticos creados por los electrones confinados en los puntos y que es asistida por un bombeo de electrones desde los niveles de energía correspondientes a los electrones confinados en los puntos a los niveles de energía superiores que, bien tiene carácter térmico, o es propiciado por una fuente de luz externa al dispositivo.
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