一种互补势垒CBIRD结构的长波红外探测器

技术领域

本发明属于红外探测器技术领域，具体涉及一种互补势垒CBIRD结构的长波红外探测器。

背景技术

近年来，锑基II类超晶格(T2SL)材料在外延生长和光电特性等方面取得了巨大进步。其中，锑基II类超晶格InAs/InAsSb作为红外光敏材料，其结构稳定、具备低暗电流和高温工作特性以及优越的光电转换效率，是目前研制高温工作红外探测器的理想材料。其中，波长范围在6-15μm的长波红外具有范围广、穿透性强、准确度高及识别伪装和干扰等优点。因此，长波红外探测器被广泛应用于空对地、空对空远距离红外系统以及舰载、导引头、机载等军事武器，在国防军事领域具有极强的应用价值。

T2SL红外探测器的结构主要有PIN光电二极管和势垒结构光电探测器。PIN光电探测器主要由P型、非故意掺杂I层和N型半导体材料组成，此类器件暗电流较高。势垒光电探测器用于降低/抑制器件暗电流，主要包括NBN结构、PBN结构、p-π-M-n结构、CBIRD结构、pMp结构等。其中，互补势垒(CBIRD)结构采用一对互补的空穴势垒(hB)和电子势垒(eB)将超晶格吸收层夹在中间，相对吸收层分别具有零导带和零价带偏移，空穴势垒降低了陷阱相关的隧穿，与吸收层之间的单级势垒Np结降低了SRH相关暗电流，电子势垒防止了底部接触额外的电子注入。因此CBIRD结构可以显著降低带-带隧穿、G-R和扩散电流，并且设计具有零开启偏压和高的QE器件。但目前为止，InAs/InAsSb T2SL的空穴势垒结构设计依旧难以实现，势垒结构的InAs/InAsSb T2SL探测器主要集中于NBN结构，而基于CBIRD结构的InAs/InAsSb T2SL探测器则鲜有报道。主要原因在于现有的含铝(Al)组分的宽禁带块体材料及其超晶格结构，其能带结构与InAs/InAsSb T2SL吸收区存在较大的导带偏移而价带偏移较小，无法与InAs/InAsSb吸收区材料形成较大的价带势垒，所以并不能用于设计InAs/InAsSb T2SL探测器的空穴势垒。这对于进一步降低/抑制InAs/InAsSb T2SL探测器特别是长波红外InAs/InAsSb T2SL探测器的暗电流不利。因此，设计具有更高探测性能的长波红外InAs/InAsSb T2SL探测器是一个非常严峻的挑战。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种互补势垒CBIRD结构的长波红外探测器，引入一种全新设计的空穴势垒结构，该空穴势垒降低了陷阱相关的隧穿，与吸收层之间的单级势垒Np结降低了SRH相关暗电流，和电子势垒组合形成互补势垒CBIRD结构，以解决现有技术中InAs/InAsSb T2SL探测器暗电流高、响应度/比探测率较低等问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种互补势垒CBIRD结构的长波红外探测器，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次设置有缓冲层、底部接触-空穴势垒层、吸收层、电子势垒层、顶部接触层，所述底部接触-空穴势垒层上表面设置底部接触电极，所述顶部接触层上表面设置有顶部接触电极，所述底部接触-空穴势垒层为从上至下排列且呈100个周期循环的4MLs InAs/1MLsInAs

进一步地，所述底部接触-空穴势垒层的总厚度为0.21μm，所述底部接触-空穴势垒层的N型掺杂浓度为10

进一步地，所述吸收层为从上至下排列且呈340个周期循环的32MLs InAs/8MLsInAs

进一步地，所述吸收层的总厚度4.08μm。

进一步地，所述顶部接触层为从上至下排列且呈20个周期循环的32MLs InAs/8MLs InAs

进一步地，所述顶部接触层的总厚度0.24μm，所述顶部接触层的P型掺杂浓度为10

进一步地，所述电子势垒层为0.15μm Al

进一步地，所述衬底为GaSb衬底。

进一步地，所述缓冲层为100nm GaSb缓冲层。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，有效降低器件陷阱相关的隧穿电流、SRH电流及接触层少子注入，降低器件整体暗电流。提高了器件工作温度及响应度、比探测率等探测性能指标。在100K温度下和100mV工作偏压下，暗电流密度为10

2、本发明中，P型和N型接触层的设计，可降低器件的开启电压/工作电压，整体上降低器件功耗，用于制备低功耗器件。

附图说明

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：

图1为本发明新型空穴势垒结构InAs/InAsSb/AlAsSb/InAsSb超晶格结构示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明能带结构及空穴势垒示意图；

图4为本发明暗电流及光谱响应示意图；

图中标记：1-衬底、2-缓冲层、3-底部接触-空穴势垒层、4-吸收层、5-电子势垒层、6-顶部接触层、7-底部接触电极、8-顶部接触电极。

具体实施方式

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。

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。

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。

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。

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。

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。

结合附图1-附图4；

一种包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次设置有缓冲层、底部接触-空穴势垒层、吸收层、电子势垒层、顶部接触层，所述底部接触-空穴势垒层上表面设置底部接触电极，所述顶部接触层上表面设置有顶部接触电极，所述底部接触-空穴势垒层为从上至下排列且呈100个周期循环的4MLs InAs/1MLs InAs

进一步地，所述底部接触-空穴势垒层的总厚度为0.21μm，所述底部接触-空穴势垒层的N型掺杂浓度为10

进一步地，所述吸收层为从上至下排列且呈340个周期循环的32MLs InAs/8MLsInAs

进一步地，所述吸收层的总厚度4.08μm。

进一步地，所述顶部接触层为从上至下排列且呈20个周期循环的32MLs InAs/8MLs InAs

进一步地，所述顶部接触层的总厚度0.24μm，所述顶部接触层的P型掺杂浓度为10

进一步地，所述电子势垒层为0.15μm Al

进一步地，所述衬底为GaSb衬底。

进一步地，所述缓冲层为100nm GaSb缓冲层。

传统AlAs

本发明在实施过程中：

一.新型空穴势垒结构InAs/InAs

T2SL是III-V族

二.CBIRD结构InAs/InAsSb T2SL长波红外探测器

在本发明中，选用与GaSb衬底晶格匹配的Al

2.100nm GaSb缓冲层；

3.底部接触层/空穴势垒层：100周期4/1/1/1MLs InAs/InAs

超晶格，总厚度0.21μm，N型掺杂浓度为10

4.吸收层：340周期32/8MLs InAs/InAs

5.电子势垒层：0.15μm Al

6.顶部接触层：20周期32/8MLs InAs/InAs

7.底部接触电极。

8.顶部接触电极。

根据仿真结果，在100K温度下和100mV工作偏压下，本发明中CBIRD结构InAs/InAsSb T2SL长波红外探测器暗电流密度为10

实施例1

一种互补势垒CBIRD结构的长波红外探测器，包括衬底，所述衬底上表面从下至上依次设置有缓冲层、底部接触-空穴势垒层、吸收层、电子势垒层、顶部接触层，所述底部接触-空穴势垒层上表面设置底部接触电极，所述顶部接触层上表面设置有顶部接触电极，所述底部接触-空穴势垒层为从上至下排列且呈100个周期循环的4MLs InAs/1MLsInAs

实施例2

在实施例1的基础上，所述底部接触-空穴势垒层的总厚度为0.21μm，所述底部接触-空穴势垒层的N型掺杂浓度为10

实施例3

在上述实施例的基础上，所述吸收层为从上至下排列且呈340个周期循环的32MLsInAs/8MLs InAs

实施例4

在上述实施例的基础上，所述吸收层的总厚度4.08μm。

实施例5

在上述实施例的基础上，所述顶部接触层为从上至下排列且呈20个周期循环的32MLs InAs/8MLs InAs

实施例6

在上述实施例的基础上，所述顶部接触层的总厚度0.24μm，所述顶部接触层的P型掺杂浓度为10

实施例7

在上述实施例的基础上，所述电子势垒层为0.15μm Al

实施例8

在上述实施例的基础上，所述衬底为GaSb衬底。

实施例9

在上述实施例的基础上，所述缓冲层为100nm GaSb缓冲层。

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。