[发明专利]高工作温度的光伏型量子阱红外探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外探测技术，具体涉及一种高工作温度的光伏型量子阱红外探测器。

背景技术

红外探测器按其工作原理主要可大体分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器利用吸收红外辐射引起的温度变化，其响应取决于入射光功率，无波长选择性，缺点是探测率低、响应速度慢。光子探测器是测量吸收入射光子产生的信号，其响应率与波长有关。光子探测器具有灵敏度高、响应速度快、结构简单等优点，是红外技术发展的主流方向。

二十世纪以来红外探测器的最重要的发展是半导体红外探测器。此类器件依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热固体的中间过程，反应速度很快，性能可靠，能在恶劣的条件下工作。1940年左右，人们发展了PbS红外探测器，随后Lawson于1959年研制出第一代本征HgCdTe光导(PC)长波红外线列探测器。上述两种红外探测器（PbS和HgCdTe）都利用了窄带隙半导体中载流子的带间跃迁。随着对于探测器均匀性和大面积阵列的要求越来越高，HgCdTe材料的结构完整性差、合金不均匀性等缺点影响日益显著，急需出现新型红外探测和成像技术。

随后，随着分子束外延和金属有机化学气相沉积技术的发展，人们将目前两种和两种以上带隙或者能带结构不同的半导体材料交替生长形成的人工周期性结构。将一层带隙较窄的材料生长在两种带隙较大的材料中间，在异质界面处将发生能带的不连续。当中间层厚度与电子波长可比拟时，量子效应就显现出来。根据量子力学原理，势阱中会产生束缚的分裂能级。

1977年，Chang等人首次提出了应用多量子阱来实现红外探测的想法。随后，Smith等人研究了光波导型GaAs/AlGaAs多量子阱子代间的光跃迁，并指出了此类器件在3-5μm和8-12μm波段潜在的应用前景。1985年West等人首次实验上观察到GaAs/AIGaAs量子阱中的子带间吸收，随后Harwit和Harris也观测到此现象。1987年贝尔实验室的Levine等人利用此效应首次制备出量子阱红外探测器(QWIP)，为n型掺杂束缚态到束缚态跃迁的探测器，其基态和第一激发态都束缚在量子阱中。当有光激发时，基态上的电子吸收光子能量后垂直跃迁到第一激发态，隧穿出量子阱，在外加偏置电压下形成光电流。这种探测器光谱响应线宽较窄，且需要较大的外加偏压。通过减小阱宽对束缚态到束缚态QWIP的量子结构进行改造，人们研制出束缚态到连续态跃迁QWIP。这种QWIP有较宽的光谱响应，其主要优点是光电子能够从势阱众跃出进入连续统输运(自由输运)，而不用隧穿势垒。

随后，量子阱红外探测器获得了进一步的发展。上世纪90年代初，本专利发明人刘惠春教授发表了一系列论文，成为QWIP的奠基性工作。考虑到QWIP量子化的本质，建立了QWIP光响应和电输运的相关模型—Liu’s发射-俘获模型。研究了QWIP的光电流增益和暗电流增益，所提出的理论模型成为QWIP的标准理论，为此后QWIP的设计和优化原则提供了方向。随后，他研制了世界上最快的中红外探测器—超快QWIP，相关工作被刊物IEEE Circuits and Devices Magazine(2003)和Laser Focus(2002)报道。这些QWIP被用于很多著名实验室和公司，包括哈佛大学Capasso教授研究组、日本托卡马克设备（J-60）、美国诺思罗普-格鲁曼公司和美国通用电气核技术公司等。

比起窄禁带光子探测器，QWIP的优点是材料的均匀性好、器件制作工艺成熟、抗辐照、成本低。对于大规模焦平面阵列探测器而言，这些优点非常重要。但是量子阱红外探测器也存在明显缺点：它通常工作在较大的偏压下，暗电流较大，工作温度比较低。这两个因素大大的限制了量子阱红外探测器的广泛使用。在此前提下，光伏型量子阱红外探测器应运而生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高工作温度的光伏型量子阱红外探测器，能够在不加偏压或微小偏压情况下工作，具备暗电流低、工作温度高（室温或者准室温工作）、探测灵敏度高等优点。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种高工作温度的光伏型量子阱红外探测器，包括一个具有多层非对称半导体量子阱结构的功能层，利用所述量子阱结构中电子或者空穴子能级跃迁实现红外光探测，从而实现在不加偏压或者施加微小偏压（例如小于10KV/cm的偏压）的情况下工作。

优选地，本发明的高工作温度的光伏型量子阱红外探测器，其结构包括一个半导体衬底层，和在该半导体衬底层上通过分子束外延技术或金属有机化学气相沉积依次逐层生长的：

未掺杂或掺杂的缓冲层；