[發明專利]一種含量子級聯結構的波長上轉換器件

有效

• 申請號: 201110438999.4
• 申請日: 2011-12-22
• 公開（公告）號: CN102629637A
• 公開（公告）日: 2012-08-08
• 發明（設計）人: 羅毅;郝智彪;王磊;康健彬;汪萊
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L31/101
• 分類號: H01L31/101;H01L31/0352;G01J1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及半導體材料和器件制作領域，具體涉及一種可用于紅外光探測的含有量子級聯結構的波長上轉換器件。

背景技術

紅外探測技術具有非常重要的實用價值，在環境監控、氣象預報、天文觀測、熱成像以及軍事領域中有著廣泛的應用。目前，主流的紅外光探測器有：基于半導體HgCdTe的紅外探測器、基于窄禁帶半導體InSb的紅外探測器、基于量子阱子帶間躍遷的量子阱紅外探測器(QWIP)、基于量子點子帶間躍遷的量子點紅外探測器(QDIP)以及量子級聯紅外探測器(QCD)。其中，HgCdTe及InSb紅外探測器的制作技術比較成熟，探測率較高，暗電流較低。然而由于其在材料生長上存在較大困難，大面積的均勻性一直不甚理想，從而限制了其在焦平面陣列(FPA)紅外光探測器中的應用(E.Theocharous，et?al.A?comparison?of?the?performance?of?a?photovoltaic?HgCdTe?detector?with?that?of?large?area?single?pixel?QWIPs?for?infrared?radiometric?applications，Infrared?Physics?&?Technology?46(2005)309-322)。對于QWIP和QDIP而言，其材料的生長技術成熟，適合制作大面積、多色的紅外光探測器。然而，由于QWIP和QDIP普遍需要工作在較大的偏壓下才能獲得比較理想的探測率，這嚴重限制了其暗電流水平及工作溫度(B.F.Levine，Quantum-well?infrared?photodetectors，J.Appl.Phys.，Vol.74，No.8，15?October1993)。對于QCD而言，其通過巧妙的能帶設計，可大大減小了器件的工作偏壓，甚至可以實現零偏壓工作。然而，由于其較低的光子-電流轉換效率以及低能級間不必要的躍遷，導致現有QCD的器件性能普遍低于QWIP(L.Gendron，et?al.Quantum?Cascade?Detection，Proc.SPIE?5612，63(2004))。

發明內容

本發明提出了一種含量子級聯結構的波長上轉換器件，目的是解決現有探測器中偏壓與探測效率、暗電流之間的矛盾。通過將波長上轉換和量子級聯隧穿輸運結合起來，可降低探測器的暗電流，提高探測器的探測率。

本發明提出一種含量子級聯結構的波長上轉換器件，包括：襯底、下電極接觸層、下過渡層、光吸收層、量子級聯載流子輸運區、發光層、上過渡層、上電極接觸層，其特征在于：所述的光吸收層量子勢阱中的電子激發態能級與電子基態能級之間的能量差對應于紅外光子能量，該能量小于發光區量子勢阱中的電子基態能級與空穴基態能級之間的能量差；量子級聯載流子輸運區位于光吸收層和發光層之間，由多個量子阱組成，且各量子阱中的電子能級能量逐個降低。

所述量子級聯載流子輸運區的量子阱數目為1～500，厚度為0.2～20nm，量子阱之間的勢壘厚度為0.2～20nm。

所述光吸收層為多層量子阱、多層量子點或超晶格結構之一，層數為1～500。

所述發光層為多層量子阱、多層量子點或超晶格結構之一，層數為1～500。

以上所述量子阱、量子點或超晶格材料為以下各材料體系中的任意一種：鋁鎵銦砷、鋁鎵銦磷、鋁鎵銦砷銻、鋁鎵銦砷磷、鋁鎵銦氮、硅鍺。

所述襯底是下列各材料中的任意一種：砷化鎵、磷化銦、銻化鎵、硅、鍺、氮化鎵、氮化鋁、碳化硅、藍寶石，襯底厚度為10～600μm；襯底的一個側面制成45°的斜面，或者在其表面制作一維或二維光柵，光柵周期為0.1～100μm。