一种新型量子隧穿势垒结构的红外探测器

1.本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种新型量子隧穿势垒结构的红外探测器。


背景技术：

2.红外探测器目前已成为情报监视侦察(isr)、精确制导导弹(pgm)、红外搜索跟踪(irst)等现代武器系统中最重要的组成部分。为满足更高效的探测需要，红外探测系统以小尺寸、低重量和低功耗(swap)为发展目标。在传统制冷型红外探测系统中，制冷器的体积和功耗，是限制其实现swap目标的主要难题。因此，必须在保证器件性能的前提下，提高红外探测器的工作温度，降低探测系统对制冷器等核心部件的要求，减少整体成本和启动时间，增加探测系统的寿命及稳定性。红外探测器是整个探测系统的核心，设计和实现可在高温工作的红外探测器是实现swap发展目标的关键。
3.要实现高工作温度，必要降低高温下器件的暗电流，以提高信噪比和比探测率。其中势垒探测器因结构简单但性能提升显著受到关注：通过在器件内部插入一层宽禁带势垒层，可以阻碍窄禁带吸收层中多数载流子(n型吸收层为电子，p型吸收层为空穴)的输运；而通过调制器件内部的耗尽区，将其主要落在势垒层中，还可以抑制吸收层内缺陷参与的载流子复合(shockley-read-hall recombination)，同时也可抑制器件内部隧穿电流。因此，采用势垒型探测器结构，可显著降低器件内部暗电流，提高探测器的工作温度和探测性能。
4.iii-v族锑化物半导体材料是实现短波、中波、长波和甚长波红外探测的主流材料之一，主要通过外延方法制备，而在设计和制备以iii-v族锑化物半导体材料作为主要吸收层的势垒型红外探测器时仍存在无法避免的难题。理想的势垒结构要求对吸收层有足够高多子势垒的同时，尽可能不影响少子的输运。但晶格匹配等条件的考虑致使选取材料形成的能带结构往往难以实现这一目标。可能出现多子势垒高度不够，无法显著抑制吸收层多子输运的情况，这将导致器件暗电流增加，性能降低；亦或者出现多子势垒高度合适，但同时也形成了一个较低高度的少子势垒的情况，这将阻碍少子输运，导致器件工作电压升高，进而增大读出电路的负担，也会在一定程度上增加器件的暗电流，降低器件性能。因此，设计适合载流子输运的势垒结构，是实现iii-v族锑化物应用在高工作温度红外探测器的关键。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：提供了一种新型量子隧穿势垒结构的红外探测器，利用载流子的隧穿效应，减小势垒型结构因能带不连续性对少数载流子输运的影响，继而促进对光生载流子的收集，降低势垒型红外探测器的工作电压，解决现有传统势垒红外探测器必须在较高电压下工作的问题。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种新型量子隧穿势垒结构的红外探测器，包括衬底，所述衬底上表面从下至上
依次设置有缓冲层、下接触层、吸收层、势垒层、上接触层，所述下接触层上表面设置第一电极，所述上接触层上表面设置有第二电极。
8.进一步地，所述势垒层包括若干载流子隧穿层和载流子辅助隧穿层，所述载流子辅助隧穿层设置于相邻载流子隧穿层之间，且载流子辅助隧穿层能带与吸收层少数载流子输运相关的能带高度相近。势垒层的材料由
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体材料组成，主要包括alsb、gaas、alas、gasb、alas
x
sb
1-x
等，其结构主要包含有势垒层和辅助载流子隧穿层。其中载流子辅助隧穿层材料不会对红外探测器中吸收层中少数载流子的输运产生影响，材料依据吸收层材料的能带结构、掺杂类型等确定。
9.进一步地，所述吸收层材料与势垒层材料晶格匹配。吸收层的材料由
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体材料组成，主要包括insb、inp、inas、inas
x
sb
1-x
、gasb等两元或多元化合物，及相关材料构成的量子阱、量子点和超晶格结构。
10.进一步地，所述第一电极、第二电极材料为金属，所述金属包括金、钛中的一种或组合。
11.进一步地，所述下接触层、上接触层材料与吸收层、势垒层材料晶格匹配。
12.进一步地，所述衬底材料技术成熟，机械强度高并拥有良好的透光率。衬底的材料由
ⅲ‑ⅴ
族化合物半导体材料组成，包括inp、inas、gasb、insb、gaas等。
13.进一步地，所述缓冲层材料与衬底材料晶格匹配，改善衬底表面状态，减少缺陷。缓冲层材料一般与衬底材料相同，或者是晶格常数与衬底接近的材料。
14.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
15.1、本发明中，在势垒层中插入若干层与吸收层材料能带(主要与吸收层少数载流子输运相关的能带，其中n型吸收层对应价带，p型吸收层对应导带)相近的材料，利用能带相近，可以避免载流子输运过程中势垒层的阻碍作用，使光生载流子输运时发生隧穿，进而提高光生载流子的收集效率，降低器件工作电压，在低偏压下实现器件对于光生载流子的有效收集。
16.2、本发明中，利用载流子隧穿效应，有效提高载流子收集效率，在相同偏压下，实现更高的器件性能，并以更小的暗电流为基础，在相同的温度下提高器件的探测性能，或是提升器件的工作温度。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
18.图1为本发明xbn型隧穿势垒探测器能带结构及空穴隧穿示意图；
19.图2为本发明xbp型隧穿势垒探测器能带结构及电子隧穿示意图；
20.图3为本发明结构示意图；
21.图4为本发明隧穿势垒与传统势垒响应度随偏压变化对比图；
22.图中标记：1-衬底、2-缓冲层、3-下接触层、4-吸收层、5-势垒层、51-载流子隧穿层、52-载流子辅助隧穿层、6-上接触层、7-第一电极、8-第二电极。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
24.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.应注意到：标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
28.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以使机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个原件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.结合附图1-附图4；
30.一种新型量子隧穿势垒结构的红外探测器，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次设置有缓冲层、下接触层、吸收层、势垒层、上接触层，所述下接触层上表面设置第一电极，所述上接触层上表面设置有第二电极，所述吸收层为inas
0.91
sb
0.09
材料，所述势垒层为alas
0.08
sb
0.92
/alsb组合材料。
31.进一步地，所述alas
0.08
sb
0.92
/alsb组合材料包括若干alas
0.08
sb
0.92
材料层和若干alsb材料层，所述alsb材料层设置于相邻alas
0.08
sb
0.92
材料层之间。
32.进一步地，所述第一电极为ti/au电极，所述第二电极为ti/au电极。
33.进一步地，所述下接触层为inas
0.91
sb
0.09
材料，所述上接触层为inas
0.91
sb
0.09
材料。
34.进一步地，所述衬底为gasb材料。
35.进一步地，所述缓冲层为gasb材料。
36.传统alas
0.08
sb
0.92
势垒层的红外探测器中，为满足晶格匹配，势垒材料未能与吸收层形成足够高的势垒，不能有效限制吸收层内多子输运；又或是阻碍吸收层内少数载流子
的输运，其近200mev高的空穴势垒限制了光生空穴的输运，迫使此类探测器工作电压一直保持在-0.3v甚至更高以保证探测性能。
37.本发明在实施过程中，以inas
0.91
sb
0.09
为吸收层，alas
0.08
sb
0.92
/alsb为势垒层，在alas
0.08
sb
0.92
中插入alsb，利用alsb价带与inas
0.91
sb
0.09
价带相近这一性质，使光生空穴输运时发生隧穿，进而提高空穴的收集效率。通过在传统势垒中插入多层与吸收层材料能带(主要与吸收层少数载流子输运相关的能带，其中n型吸收层对应价带，p型吸收层对应导带)相近的材料形成新型量子结构势垒，利用载流子的隧穿效应，减小势垒型结构因能带不连续性对少数载流子输运的影响，显著促进器件对光生载流子的收集，降低势垒型红外探测器的工作电压，解决了现有传统势垒红外探测器必须在较高电压下工作的问题。同时，在相同偏压下，实现更高的器件性能，并以更小的暗电流为基础，在相同的温度下提高器件的探测性能，或是提升器件的工作温度。
38.如图1、2所示，详细展示了本发明中光生空穴、光生电子在势垒层的隧穿输运过程。
39.如图4所示，通过隧穿效应实现了的探测器工作电压从-0.3v到-0.2v的降低，以及探测器响应度的大幅提升。
40.实施例1
41.一种新型量子隧穿势垒结构的红外探测器，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次设置有缓冲层、下接触层、吸收层、势垒层、上接触层，所述下接触层上表面设置第一电极，所述上接触层上表面设置有第二电极，所述吸收层为inas
0.91
sb
0.09
材料，所述势垒层为alas
0.08
sb
0.92
/alsb组合材料。
42.实施例2
43.在实施例1的基础上，所述alas
0.08
sb
0.92
/alsb组合材料包括若干alas
0.08
sb
0.92
材料层和若干alsb材料层，所述alsb材料层设置于相邻alas
0.08
sb
0.92
材料层之间。
44.实施例3
45.在上述实施例的基础上，所述第一电极为ti/au电极，所述第二电极为ti/au电极。
46.实施例4
47.在上述实施例的基础上，所述下接触层为inas
0.91
sb
0.09
材料，所述上接触层为inas
0.91
sb
0.09
材料。
48.实施例5
49.在上述实施例的基础上，所述衬底为gasb材料。
50.实施例6
51.在上述实施例的基础上，所述缓冲层为gasb材料。
52.如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明的验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书所作的等同变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。