[發(fā)明專利]一種基于多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外波導(dǎo)集成探測器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310360178.6
• 申請日: 2023-04-06
• 公開（公告）號: CN116344658A
• 公開（公告）日: 2023-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 柴旭良;周易;陳建新
• 申請（專利權(quán)）人: 國科大杭州高等研究院
• 主分類號: H01L31/102
• 分類號: H01L31/102;H01L31/0352;H01L31/0304
• 代理公司: 北京博爾赫知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 16045
• 代理人: 王燦

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明公開了一種基于多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外波導(dǎo)集成探測器。本發(fā)明所述中紅外波導(dǎo)集成探測器由下至上依次包括襯底、下包層、下波導(dǎo)層、上包層、上波導(dǎo)層和頂部接觸層；其中上波導(dǎo)層包括若干周期級聯(lián)結(jié)構(gòu)的吸收層；所述每個周期級聯(lián)結(jié)構(gòu)的吸收層由下至上依次包括弛豫區(qū)、吸收區(qū)和隧穿區(qū)。本發(fā)明采用多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的吸收層，可以有效減小吸收長度，提高探測器的靈敏度和響應(yīng)速度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外波導(dǎo)集成探測器。

背景技術(shù)

紅外探測在航天、工業(yè)、醫(yī)療以及日常生活等方面均有廣泛的應(yīng)用。在光學(xué)差分探測，雙光梳光譜測量，自由空間通信等應(yīng)用中，需要紅外探測器有很高的響應(yīng)速度。中紅外波段包括很多氣體的特征吸收譜，中紅外探測器可以用于多種氣體和液體的成分檢測。在光學(xué)差分探測方法中，探測的拍頻信號在1s內(nèi)有上百萬個周期，信號脈沖的探測要求探測器有很高的響應(yīng)速度；雙光梳光譜測量應(yīng)用中，為了提高分辨率，需要光頻梳的重復(fù)頻率盡量小，在時域上表現(xiàn)為光脈沖序列的周期盡量短，這也要求紅外探測器具有盡量高的響應(yīng)速度，才能有效探測到光頻梳中的脈沖信號。中紅外波段是大氣的一個透過窗口，在自由空間光通信中具有安全性高的特點，為了實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹屑t外光通信，同樣需要高帶寬和高靈敏的中紅外探測器。

探測器的響應(yīng)時間主要由光生載流子通過漂移或擴(kuò)散從產(chǎn)生到被收集的時間決定。傳統(tǒng)的中紅外探測器，光垂直于器件表面入射，提高響應(yīng)速度的方法是減小吸收區(qū)的厚度，但同時會導(dǎo)致量子效率和探測率的降低。而在波導(dǎo)探測器中，光入射方向和光生載流子運(yùn)動方向是垂直的，吸收區(qū)厚度可以比垂直入射探測器短，解決了響應(yīng)速度和量子效率的矛盾。

為了提高探測器的響應(yīng)速度，波導(dǎo)集成探測器中的吸收區(qū)厚度一般在幾百納米，為了實現(xiàn)對入射光的充分吸收，需要增加器件長度，但是暗電流也會隨著器件長度的增加而提高，這限制了中紅外波導(dǎo)探測器的靈敏度。因此，本領(lǐng)域亟需發(fā)展一種高靈敏度和高響應(yīng)速度的中紅外探測器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為提供一種基于多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外波導(dǎo)集成探測器，以解決現(xiàn)有的探測器無法同時滿足高靈敏度和高響應(yīng)速度的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種基于多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)的中紅外波導(dǎo)集成探測器，所述中紅外波導(dǎo)集成探測器由下至上順次包括襯底、下包層、下波導(dǎo)層、上包層、上波導(dǎo)層和頂部接觸層；其中上波導(dǎo)層包括2～10周期級聯(lián)結(jié)構(gòu)的吸收層。

作為優(yōu)選，所述襯底為InAs襯底；所述襯底的厚度為400～600μm。

作為優(yōu)選，所述下包層的材質(zhì)為InAs；所述下包層的厚度為1000～2500nm；所述下包層中，N型摻雜濃度為1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

作為優(yōu)選，所述下波導(dǎo)層的材質(zhì)為GaAs_xSb_1-x，其中，x為0.01～0.1；所述下波導(dǎo)層的厚度為500～2000nm。

作為優(yōu)選，所述上包層的材質(zhì)為InAs；所述上包層的厚度為500～1500nm；所述上包層中，N型摻雜濃度為1×10¹⁸～5×10¹⁸cm^-3。

作為優(yōu)選，所述上波導(dǎo)層包括2～10周期相同的級聯(lián)結(jié)構(gòu)的吸收層；所述上波導(dǎo)層中，每個周期級聯(lián)結(jié)構(gòu)的吸收層由下至上順次包括弛豫區(qū)、吸收區(qū)和隧穿區(qū)。