内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法技术

本公开提供了一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法，上述探测器包括：衬底；以及自下而上依次形成于上述衬底之上的下电极层、多量子阱有源层和上电极层。上述多量子阱有源层包括多个交替层叠的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层和/或势阱层为调制掺杂层，从而形成用于调控电子能态的局域电场。通过在多量子阱有源层中引入调制掺杂层，基于调制掺杂层的引入能够在空间上使得空穴或电子载流子与负离子实、正离子实对应分离，从而在量子阱中形成较强的局域电场，进而基于该局域电场实现量子阱中电子能态的调控，以提高量子阱中光生电子的抽取效率，从而提高红外探测器的整体效率。红外探测器的整体效率。红外探测器的整体效率。

Semiconductor infrared detector with modulation doped local electric field and its control method

【技术实现步骤摘要】
内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法


[0001]本公开属于探测器
，涉及一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法。

技术介绍

[0002]红外探测器是一种探测波长2微米以上红外辐射的重要器件。以量子阱为代表的半导体低维结构材料因具有优异的物理特性，被广泛应用于红外探测器件。
[0003]目前低维半导体量子体系的红外光电探测过程既有基于带间跃迁的、也有基于子带间跃迁的，根据现有的半导体物理原理可知，低维半导体红外探测器在吸收光子产生载流子之后，由于受到量子限制的作用，光生载流子无法全部快速逃离势阱，有部分光生载流子会弛豫回基态。这些会导致产生量子阱材料的红外探测器光吸收和提取效率低的问题，限制了量子阱材料红外探测器性能的进一步提高。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本公开提供了一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法，以至少部分解决相关技术中半导体量子阱红外探测器由于光生电子受量子限制无法有效溢出量子阱而导致器件探测效率低的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]本公开的一个方面提供了一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器。上述半导体红外探测器包括：衬底；以及自下而上依次形成于上述衬底之上的下电极层、多量子阱有源层和上电极层。上述多量子阱有源层包括多个交替层叠的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层和/或势阱层为调制掺杂层，从而形成用于调控电子能态的局域电场。
[0008]根据本公开的实施例，上述调制掺杂层的掺杂类型为n型或p型；当上述调制掺杂层位于上述多量子阱有源层中的势阱层时，上述调制掺杂层的掺杂类型为p型；当上述调制掺杂层位于上述多量子阱有源层中的势垒层时，上述调制掺杂层的掺杂类型为n型。
[0009]根据本公开的实施例，上述调制掺杂层的掺杂浓度为：1
×
10
16
cm
‑3～1
×
10
21
cm
‑3。
[0010]根据本公开的实施例，上述多量子阱有源层中除上述调制掺杂层之外的势阱层和势垒层为无掺杂的或者为具有掺杂的，其中，在势阱层的掺杂类型为n型，在势垒层的掺杂类型为p型。
[0011]根据本公开的实施例，上述多量子阱有源层中除上述调制掺杂层之外的具有掺杂的势阱层或势垒层的掺杂浓度为：1
×
10
16
cm
‑3～1
×
10
21
cm
‑3。
[0012]根据本公开的实施例，上述多量子阱有源层的异质结对至少为2对。
[0013]根据本公开的实施例，上述多量子阱有源层的材料包括砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝中的一种，或者由砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝构成的三元或四元化合物。
[0014]根据本公开的实施例，上述多量子阱有源层中的势垒层的厚度为0.1nm～20nm，势阱层的厚度为0.1nm～20nm。
[0015]根据本公开的实施例，上述红外探测器工作在外加偏压下或者工作在零偏压下。
[0016]本公开的另一个方面提供了一种基于上述半导体红外探测器进行性能调控的方法。上述方法包括：通过调控调制掺杂层的掺杂类型、掺杂浓度和掺杂位置至少之一来对应调控局域电场的方向、强度和位置至少之一，以实现对于电子能态的调控，提高光生电子抽取效率，以提升上述半导体红外探测器的效率。
[0017](三)有益效果
[0018]从上述技术方案可以看出，本公开提供的内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法，具有以下有益效果：
[0019](1)通过在多量子阱有源层中引入调制掺杂层，基于调制掺杂层的引入能够在空间上使得载流子(例如为空穴、电子)与母体(对应为负离子实、正离子实)分离，从而在量子阱中形成较强的局域电场，进而基于该局域电场实现量子阱中电子能态的调控，以提高量子阱中光生电子的抽取效率，从而提高红外探测器的整体效率。
[0020](2)通过设置调制掺杂层来引入强局域电场，通过控制调制掺杂层的种类、浓度、位置来对应控制局域电场的方向、强度、局域电场的位置；进而调控半导体低维结构的量子能态，提高光生载流子的抽取效率，从而突破传统半导体低维结构材料对于光吸收和抽取效率的调控限制。
附图说明
[0021]图1为根据本公开一实施例所示的内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器的结构示意图。
[0022]图2～图4为根据本公开实施例所示的多量子阱有源层中调制掺杂层的个数和位置的不同示例。
[0023]图5为根据本公开一实施例所示的半导体红外探测器中多量子阱有源层的具体结构示例。
[0024]图6为如图5所示的多量子阱有源层的gamma(Γ)导带能带分布和空间电荷密度分布图。
[0025]图7为如图5所示的多量子阱有源层的电场分布图。
[0026]图8为如图5所示的多量子阱有源层的能级结构图。
[0027]图9为如图5所示的多量子阱有源层的电子波函数分布图。
[0028]【符号说明】
[0029]1‑
半导体红外探测器；
[0030]11
‑
衬底；
[0031]12
‑
下电极层；
[0032]13
‑
多量子阱有源层；
[0033]131a，132a，133a，134a，135a，136a，137a，138a
‑
势垒层；
[0034]131b，132b，133b，134b，135b，136b，137b
‑
势阱层；
[0035]14
‑
上电极层；
[0036]15
‑
第一供电电极；
[0037]16
‑
第二供电电极；
[0038]17
‑
电源。
具体实施方式
[0039]本公开提供了一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器及其调控方法，通过在多量子阱有源层中引入调制掺杂层，基于调制掺杂层的引入能够在空间上使得载流子(例如为空穴、电子)与母体(对应为负离子实、正离子实)分离，从而在量子阱中形成较强的局域电场，进而基于该局域电场实现量子阱中电子能态的调控，以提高量子阱中光生电子的抽取效率，从而提高红外探测器的整体效率。
[0040]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开的数值范围均包含端点值。
[0041]本公开的第一个示例性实施例提供了一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器。
[0042]图1为根据本公开一实施例所示的内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器的结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内含调制掺杂局域电场的半导体红外探测器，其特征在于，包括：衬底；以及自下而上依次形成于所述衬底之上的下电极层、多量子阱有源层和上电极层；所述多量子阱有源层包括多个交替层叠的势垒层和势阱层，其中至少一个势垒层和/或势阱层为调制掺杂层，从而形成用于调控电子能态的局域电场。2.根据权利要求1所述的半导体红外探测器，其特征在于，所述调制掺杂层的掺杂类型为n型或p型；当所述调制掺杂层位于所述多量子阱有源层中的势阱层时，所述调制掺杂层的掺杂类型为p型；当所述调制掺杂层位于所述多量子阱有源层中的势垒层时，所述调制掺杂层的掺杂类型为n型。3.根据权利要求1所述的半导体红外探测器，其特征在于，所述调制掺杂层的掺杂浓度为：1
×
10
16
cm
‑5～1
×
10
21
cm
‑5。4.根据权利要求1所述的半导体红外探测器，其特征在于，所述多量子阱有源层中除所述调制掺杂层之外的势阱层和势垒层为无掺杂的或者为具有掺杂的，其中，在势阱层的掺杂类型为n型，在势垒层的掺杂类型为p型。5.根据权利要求4所述的半导体红外探测器，其特征在于，所述多量子阱有源层中除所述调制掺杂层之外的具有掺杂的势阱层或势垒层的掺杂浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝智彪，赵若晨，汪莱，罗毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：