[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外單光子探測(cè)的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711291750.9
• 申請(qǐng)日: 2017-12-07
• 公開（公告）號(hào): CN108123003B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海電機(jī)學(xué)院
• 主分類號(hào): H01L31/0352
• 分類號(hào): H01L31/0352;H01L31/102;H01L31/18
• 代理公司: 31001 上海申匯專利代理有限公司
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外單光子探測(cè)的方法。在半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)紅外探測(cè)領(lǐng)域，量子點(diǎn)中電子激發(fā)壽命相比目前較成熟的量子阱紅外探測(cè)器方案要更長(zhǎng)，因此量子點(diǎn)探測(cè)器工作溫度更高、光電導(dǎo)增益也更高。本發(fā)明引入了Fano型量子干涉通道，增強(qiáng)了光子吸收效率，進(jìn)一步增大了光電導(dǎo)增益；同時(shí)，由于光子吸收只發(fā)生在中間量子點(diǎn)C中，降低了周圍環(huán)境的影響，進(jìn)一步提高了工作溫度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)探測(cè)中遠(yuǎn)紅外單光子的方法，屬于紅外和遠(yuǎn)紅外探測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)

單光子探測(cè)器在成像、化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)和激光測(cè)距等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。在可見光和近紅外范圍，可以采用雪崩光電二極管和光電倍增管實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。但在中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍，很小的光子能量使得固體中難以產(chǎn)生穩(wěn)定的光生載流子。目前在中遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍有以下三種主要探測(cè)方式：一是利用電光晶體的非線性效應(yīng)進(jìn)行差分探測(cè)，此種方式具有靈敏度高、可以同時(shí)探測(cè)輻射強(qiáng)度和相位；二是熱電探測(cè)器，這類探測(cè)器探測(cè)范圍較廣；三是光子型探測(cè)器，以半導(dǎo)體量子阱探測(cè)器為代表，具有響應(yīng)速度快、探測(cè)靈敏度高和較強(qiáng)的光譜分辨本領(lǐng)等特點(diǎn)。

差分探測(cè)探測(cè)器體積較大，不易與半導(dǎo)體電路集成，具有很大的局限性；熱電探測(cè)器響應(yīng)率較低，沒有光譜分辨本領(lǐng)；量子阱探測(cè)器的暗電流較大，無(wú)法探測(cè)微弱的中遠(yuǎn)紅外輻射。這三種類型的探測(cè)器目前基本都不具有單光子精度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)微弱中遠(yuǎn)紅外光的靈敏探測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能探測(cè)微弱的中遠(yuǎn)紅外輻射的方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種半導(dǎo)體三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)紅外單光子探測(cè)的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、制作半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在離該半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面一定距離處形成二維電子氣，在該半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)表面制作多個(gè)金屬電極，通電后形成半導(dǎo)體三量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，三量子點(diǎn)中的左量子點(diǎn)L及右量子點(diǎn)R分別與二維電子氣通過隧穿耦合連接，三量子點(diǎn)中的中間量子點(diǎn)C與左量子點(diǎn)L及右量子點(diǎn)R通過隧穿耦合連接，左量子點(diǎn)L與中間量子點(diǎn)C構(gòu)成雙量子點(diǎn)LC系統(tǒng)，右量子點(diǎn)R與中間量子點(diǎn)C構(gòu)成雙量子點(diǎn)LR系統(tǒng)；

步驟2、調(diào)整金屬電極上的電壓，確保在導(dǎo)電窗口內(nèi)左量子點(diǎn)L及右量子點(diǎn)R內(nèi)部分別只有一個(gè)單電子態(tài)，而中間量子點(diǎn)C在導(dǎo)電窗口內(nèi)有Donor單電子態(tài)和Acceptor單電子態(tài)，中間量子點(diǎn)C內(nèi)Donor單電子態(tài)和Acceptor單電子態(tài)的能級(jí)之差決定了可以探測(cè)的中遠(yuǎn)紅外光子頻率；

步驟3、電子從半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二維電子氣中由電子隧穿作用隧穿到雙量子點(diǎn)LC系統(tǒng)中，中遠(yuǎn)紅外光照射下，雙量子點(diǎn)LC系統(tǒng)中的電子吸收一個(gè)光子由Donor單電子態(tài)躍遷到Acceptor單電子態(tài)，即進(jìn)入雙量子點(diǎn)LR系統(tǒng)中，再由電子隧穿作用電子從右量子點(diǎn)R隧穿到半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)二維電子氣中，從而形成光生電流，通過對(duì)光生電流的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)紅外單光子的探測(cè)。

優(yōu)選地，雙量子點(diǎn)LC系統(tǒng)中左量子點(diǎn)L單電子態(tài)和中間量子點(diǎn)C中的Donor單電子態(tài)隧穿耦合，當(dāng)該耦合強(qiáng)度比較大而左量子點(diǎn)L單電子態(tài)和中間量子點(diǎn)C中的Donor單電子態(tài)能級(jí)差為零時(shí)，左量子點(diǎn)L單電子態(tài)和中間量子點(diǎn)C中的Donor單電子態(tài)將形成Fano型量子干涉通道，調(diào)整隧穿耦合大小控制Fano型量子干涉通道的干涉強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)光子吸收而抑制光子激發(fā)作用，從而達(dá)到增強(qiáng)光電導(dǎo)增益的目的。

優(yōu)選地，調(diào)整金屬電極上的電壓來(lái)控制左量子點(diǎn)L與中間量子點(diǎn)C、中間量子點(diǎn)C與右量子點(diǎn)R之間的隧穿耦合強(qiáng)度和能級(jí)差，并可以控制中間量子點(diǎn)C內(nèi)兩個(gè)單電子態(tài)能級(jí)差的大小。

在半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)中遠(yuǎn)紅外探測(cè)領(lǐng)域，量子點(diǎn)中電子激發(fā)壽命相比目前較成熟的量子阱紅外探測(cè)器方案要更長(zhǎng)，因此量子點(diǎn)探測(cè)器工作溫度更高、光電導(dǎo)增益也更高。本發(fā)明引入了Fano型量子干涉通道，增強(qiáng)了光子吸收效率，進(jìn)一步增大了光電導(dǎo)增益；同時(shí)，由于光子吸收只發(fā)生在中間量子點(diǎn)C中，降低了周圍環(huán)境的影響，進(jìn)一步提高了工作溫度。