电学脉冲调控增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光波探测技术领域，具体涉及一种增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法。
【背景技术】
[0002]采用量子阱结构的器件进行光探测，是中远红外波段光探测的主要技术之一。然而由于该波段光强较弱，半导体量子阱结构的光波吸收受该领域广泛认知的”极化选择定律“的限制，等等因素的影响，此波段的探测器效率仍然较低，实际的器件通过结合斜角入射(如文献2)，刻蚀槽结构(如文献3)等方法对对效率均有一定提高，但效率仍然较低(吸收率7-10%，如文献1)。为了克服此困难，本发明采用一种锯齿波脉冲动态调控能带的方法以增强半导体量子阱红外光响应。此方法可在器件本身各方面都已优化的前提下，无需改变器件结构，通过电学调控的方法灵活提高器件光响应。
[0003]技术文献
[1].Chang, C.C., et al.(2010).〃A surface plasmon enhanced infraredphotodetector based on InAs quantum dots.〃 Nano LettlO (5): 1704-1709.[2].Rogalski, A.(2003)."Quantum well photoconductors in infrared detectortechnology." Tournal of Applied Physics93 (8): 4355.[3].Polarizat1n-sensitive corrugated quantum-well infrared photodectorarray, US 专利 6，410，917。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种通过电学调控，有效增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法。
[0005]本发明中，所述半导体量子阱红外光探测器包含两层量子阱材料，其结构参见图1所示。其中，一层较薄量子阱靠近表面的量子阱中有两个能级或多个能级，为吸光区域?’另一层较厚量子阱在更下方通过感应吸光区域电荷变化来达到光探测的目的。两层量子阱夹层的能带结构通过掺杂不同浓度粒子的方式形成势能渐变层，由上层到下层势能缓变降低。该器件通过在重置光栅上施加脉冲来实现器件的重置。因为量子阱层吸收的选择性，半导体材料表面镀有一层親合光栅金属层，用来使垂直入射光被量子讲吸收。
[0006]本发明提出的增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法，是通过电学脉冲调控，提高量子阱探测器光响应，即通过在耦合光栅上施加时序上与重置脉冲相匹配的脉冲，来动态调控光敏量子阱中的能带变化，以达到延长探测可积分时间提高光响应的目的。在耦合光栅上施加脉冲示意图如图1所示，具体步骤如下:
(1)首先，将量子阱探测器的源极和漏极(100和101)外接电表，给源极100电势的同时检测此通路的电流；利用电学或者物理方法使上层光敏量子阱区103处于电绝缘状态，并在上、下两层量子阱导电通道104的光栅105上施加重置脉冲，来控制导电通道104的通断，从而控制器件的工作状态；
(2 )然后，在耦合光栅上施加脉冲，使此脉冲的上升沿(脉冲起始值)处在重置脉冲高电平的时间段中某位置，当重置脉冲处于高电平时，上、下两层电子阱处于导通状态，器件处在重置阶段，耦合光栅脉冲的上升沿使上层光敏区的能带迅速降低，导致光敏区内可吸收光子的电子数目增加，提高光探测能，耦合光栅脉冲的上升沿高度需尽可能大，以增加光敏区内电子数目；
(3)此时，将重置脉冲迅速将至低电平状态，上下两层电子气阱于断开状态，器件处在正常吸收光子阶段，并且此时光敏区内电子不断吸收光子到达激发态并隧穿到下层，光敏区能带因此不断降低；
(4)此时，将施加在耦合光栅上的电学脉冲电势不断降低，此降低趋势不断上抬上层光敏区电势，以延缓器件因吸收光子使光敏区电势降低到电子无法隧穿到下层而达到的饱和状态，从而延长可进行光探测的时间，提高光响应率，电势降低越快，上层光敏区电势抬高越快，电势越慢，上层光敏区电势抬高越慢。此降低趋势的优化同器件所探测光的光强有关;
(5)最后，在下一个重置脉冲周期中当重置脉冲处于高电平时，耦合光栅脉冲再次迅速变为上升沿。
[0007]本发明中，施加在耦合光栅上的电学脉冲，典型的电学脉冲为锯齿波，另外，可以为各种形式的脉冲，见图3所示，如锯齿波脉冲变形一(重置前下降)，锯齿波脉冲变形二 (重置后下降)，锯齿波脉冲变形三(重置前后均下降)。
【附图说明】
[0008]图1为本发明所涉及的电脉冲施加方法图示。
[0009]图2为探测器在正常reset信号下以及施加不同幅值的典型锯齿波时的电流追随时间曲线。
[0010]图3为耦合光栅脉冲可能采用的除最典型的锯齿波以及其他设计。
[0011 ] 图4为正常的器件能带结构图(115)。
[0012]图5为通过扫描锯齿波的频率以及幅值来找到使光响应最大的最优化脉冲参数C点(频率为90Hz，脉冲幅值为540mV)。
[0013]图中标号:100为量子阱探测器的源极，101为漏极，102为下层量子阱，103为上层量子讲，104为量子讲导电通道，105为重置光栅，106为親合光栅，107为重置脉冲，108为施加在耦合光栅上的脉冲。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例，进一步描述本发明。
[0015]图1为本发明所涉及的电脉冲施加方法图示。图中有2层量子阱103和102，两层量子阱由沟道104导通并通过重置栅105上加脉冲来重置器件工作状态。上层量子阱103上方lOOnm左右处有一层金属親合光栅层106，親合光栅本身有结构来将垂直入射到器件表面的光子耦合成为可以被上层量子阱103中的基态电子吸收。通过在耦合光栅上施加与重置脉冲107相匹配的锯齿波脉冲108来调节上层量子阱103的能带结构来提高光响应。
[0016]具体来说，在重置栅和耦合光栅上分别施加频率相同的正脉冲107以及锯齿波脉冲108，此两个脉冲有一个相差相位可使锯齿波脉冲的上升沿恰好处于重置脉冲的高电势区内。通过调节脉冲频率以及锯齿波脉冲的幅值可以动态调控上层量子阱光敏区103的能带变化，来提高光响应。也可扫描脉冲频率、脉冲幅值等参数，找到最优的增强探测器光响应的条件。
[0017]图2示出了探测器在正常reset信号下以及施加不同幅值的锯齿波时的电流追随时间曲线，幅值分别为 OmV (109)、340mV (110)、440mV (lll)、540mV (112)、740mV (113)，频率都为90Hz。且幅值为540mV (113)时器件响应最高。
[0018]图3示出了耦合光栅脉冲可能采用的除最典型的锯齿波外的其他设计，各类脉冲的特点都为在重置脉冲发生迅速变化的前后附近也相应发生变化以调节能带结构。
[0019]图4显示了正常的器件能带结构图(115)，吸光后上层量子阱能带下降，能带结构向(116)变化；施加锯齿波脉冲后上层量子阱能带上抬，能带结构向(114)变化。
[0020]图5显示了通过扫描锯齿波的频率以及幅值来找到使光响应最大的最优化脉冲参数C点(频率为90Hz，脉冲幅值为540mV)。
【主权项】
1.一种电学调控增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法，其特征在于通过在耦合光栅上施加时序上与重置脉冲相匹配的脉冲，来动态调控光敏量子阱中的能带变化，以达到延长探测可积分时间提高光响应的目的，具体步骤如下: (1)首先，将量子阱探测器的源极和漏极(100和101)外接电表，给源极(100)电势的同时检测此通路的电流；利用电学或者物理方法使上层光敏量子阱区(103)处于电隔离状态，并在上、下两层量子阱导电通道(104)的电极(105)上施加重置脉冲(107)，来控制导电通道(104)的通断，从而控制器件的工作状态； (2)然后，在耦合光栅(106)上施加脉冲(108)，使此脉冲的上升沿处在重置脉冲高电平的时间段中某位置，当重置脉冲(107)处于高电平时，上、下两层电子阱处于导通状态，器件处在重置阶段，耦合光栅脉冲(108)的上升沿使上层光敏区的能带迅速降低，导致光敏区内可吸收光子的电子数目增加，提高光探测能力； (3)此时，将重置脉冲(107)迅速将至低电平状态，上下两层电子气阱于断开状态，器件处在正常吸收光子阶段，并且此时光敏区(103)内电子不断吸收光子变为激发态并隧穿到下层量子阱导电通道(102)中，光敏区能带因此不断降低； (4)此时，将施加在耦合光栅上的电学脉冲(108)电势不断降低，降低趋势不断上抬上层光敏区电势，以延缓器件因吸收光子使光敏区电势降低到电子无法隧穿到下层而达到的饱和状态，从而延长可进行光探测的时间，提高光响应率； (5)最后，在下一个重置脉冲周期中当重置脉冲处于高电平时，耦合光栅脉冲再次迅速变为上升沿。2.根据权利要求1所述的通过电学调控增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法，其特征在于所述施加在耦合光栅上的脉冲为锯齿波，或者为其他形式的脉冲。
【专利摘要】本发明属于光波探测技术领域，具体为一种电学调控增强半导体量子阱红外光探测器响应率的方法。所述探测器包含两层量子阱材料，其中一层较薄靠近表面的量子阱中有两个能级，为吸光区域，另一层较厚量子阱在下方，通过感应吸光区域电荷变化来进行光探测。两层量子阱夹层的能带结构通过掺杂不同浓度粒子的方式形成势能渐变层，由上层到下层势能缓变降低。该器件通过在重置光栅上施加脉冲来实现器件的重置。本发明通过在耦合光栅施加一种与重置脉冲相配合的脉冲波，来动态调控上层量子阱的能带变化，以此增强探测器的光响应率。
【IPC分类】H01L31/0352, H01L31/18, H01L31/101
【公开号】CN105304755
【申请号】CN201510715266
【发明人】安正华, 徐洁
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月29日