[发明专利]具有可调节截止波长的高工作温度势垒红外检测器

说明书

政府权利声明

此处描述的发明在执行NASA约定的工作中做出，并且受到公共法律条款96-157(35USC202)的制约，在该条款中订约人已经选择保留所有权。

相关申请的交叉参考

本申请要求以下U.S.临时专利申请的根据35U.S.C.§119(e)的权益，将其合并于此作为参考：

由Ting等人(代理卷号CIT-5233-P)在2008年9月25递交的，申请号为No.61/194,240的U.S.临时专利申请，标题为“HIGH OPERATING TEMPERATURE BARRIER INFRARED DETECTOR(HOT-BIRD)WITH TAILORABLE CUTOFF WAVELENGTH(具有可调节截止波长的高工作温度势垒红外检测器(热鸟))”。

技术领域

本发明涉及势垒光电检测器(barrier photodetector)，具体地，本发明涉及高工作温度势垒红外检测器。

背景技术

光电检测器是对入射光产生反应的电光元件。其具有较广泛的应用范围，包括成像。光电检测器的一类在红外光范围中工作。这种器件应用于包括行星探测、工业质量控制、污染监测、消防、执法、以及医疗诊断的红外成像中。

在传统的半导体p-n结节光电检测器中，结节处的耗尽层阻挡多数载流子流过结节，而允许少数载流子自由流动。尽管耗尽层以这种方式增强检测器性能，其还是会引起会产生噪音的肖克莱-里德-霍尔(Shockley-Read-Hall(SRH))暗电流。由此得到的暗电流会限制工作温度。不过，在近年，新开发的红外检测器类型采用嵌入式势垒层以抑制SRH电流以及表面漏电流。

Maimon的在2007年9月20日公开的，公开号为2007/0215900的U.S专利申请中描述了势垒红外光电检测器概念，将其结合于此作为参考，并且该专利公开了一种光电检测器，其包括吸光层，该吸光层包括显示出价带能级(valence band energy level)的n-掺杂半导体；势垒层，该势垒层的第一侧边与吸光层的第一侧边相邻，势垒层显示出的价带能级与吸光层的掺杂半导体的价带能级基本相等；以及接触区，包括掺杂半导体，该接触区和势垒层的第二侧边相邻，该第二侧边和势垒层的第一侧边相对，势垒层的厚度和导带隙(conductance band gap)足以防止来自吸光层的多数载流子至接触区的隧道效应，并且能够阻挡多数热化载流子从吸光层至接触区的流动。可选地，可以利用p-掺杂半导体，并且可以使势垒层和吸光层的导带能级相等。

Klipstein在2008年的SPIE Proc.Vol.6940，69402U的Infrared Technology and Applications ⅩⅩⅩⅣ(红外技术与应用ⅩⅩⅩⅣ)中的“‘XBn’Barrier Photodetectors for High Sensitivity and High Operating Temperature Infrared Sensors”中进一步讨论了势垒红外光电检测器的操作，将其结合于此作为参考。该文章将势垒光电检测器描述为将光吸收至窄带隙半导体层中的器件，该层的带基本保持水平或积聚在工作偏压处，以便排除所有的载流子耗尽。在低于用于中波红外(MWIR)器件的一般为130-150K的阈值温度的传统光电二极管中，由于耗尽层中的产生-复合(G-R)中心而产生暗电流。在势垒检测器中，窄带隙半导体中没有耗尽，这确保可以忽略G-R对暗电流的作用。因此，在高于和低于阈值温度时，势垒检测器中的暗电流由扩散成分控制。从而，在低于阈值温度的给定温度下，势垒检测器显示出的暗电流低于具有相同截止波长的传统光电二极管的暗电流。可选地，对于给定暗电流，势垒检测器的工作温度高于传统光电二极管的工作温度，假定该温度低于阈值温度。基于InAs_1-XSb_x合金和Ⅱ型InAs/GaSb超晶格(T2SL)提出了一些用于具有光子吸收层的势垒检测器的器件结构，。分析暗电流的热电子(thermionic)和隧道成分，并且其对典型器件参数无关紧要。对于具有f/3光学器件和4.2μm的截止波长的MWIR势垒检测器来说，可以估测～150K的工作温度。