[发明专利]一种Si基三维Ge量子点晶体光伏型近中红外双色探测器

说明书

技术领域

本发明属于半导体红外探测材料与器件领域，特别涉及一种Si基三维Ge量子点晶体光伏型近中红外双色探测器。

背景技术

由于地球大气环境对红外线存在特定的强吸收波段，因此只有波长在1-2.5μm，3-5μm和8-14μm三个波段之间的红外辐射才能在大气环境中被有效地传输和探测。这三个波段也即所谓的近红外、中红外和远红外三个大气窗口。传统的红外探测器，如短波红外InGaAs、中波红外InSb、长波红外HgCdTe等，尽管可以通过制备成PIN光伏型、光导型和雪崩型等结构提供增强的探测灵敏度，但是其每一种探测器的探测光波段都分别只能覆盖一个红外大气窗口，即都属于单色红外探测器。而双色红外探测器，是指一类其探测波长能同时覆盖两个红外窗口的红外光电探测器，能够同步采集目标在两个红外波段的光谱信息。显而易见，双色探测器比单色探测器多了一个测量的量度。在红外成像应用中，双色焦平面探测器可以同时获取目标在两个红外波段的图像，一方面可以提供更为丰富的目标信息，另一方面可以有效减少因为探测器与待测目标辐射波段不匹配造成的失效探测几率。尤其是在航空航天等军事目标探测领域，双色红外探测器所获取的目标红外双色信息，对实现复杂环境中的背景抑制、排除虚假干扰信号和目标识别区分等应用有显著优势。

目前已有的红外双色探测器主要有两类，一类是通过在一个封装结构中同时封装两种红外波段的探测器件，并通过光学结构耦合在一起，实现对目标的双色探测。其本质是两种探测器的组合封装，如日本淞滨电子公司(Hamamatsu,Inc.)的短波/中波Si/PbSe光伏型双色红外探测器(0.2-4.8μm)、美国联合红外公司(InfraRed Associates,Inc.)的中波/长波InSb/HgCdTe光伏型双色探测器等。另一类则是基于新材料和新器件结构而发展的在一个光敏元上同时实现对两种红外波段的光响应，如中科院上海技物所发展的短波/中波的HgCdTe光伏型红外双色探测器(1.3-5.7μm)、日本淞滨电子公司的短波/短波扩展InGaAs光伏型双色探测器(0.9-2.5μm)等。红外探测系统通常需要将光敏元件和读出电路进行匹配，以提取有效的信号并进行处理。上述第一类组合封装型双色探测器在信号读取时通常采用顺序读出的方式，两波段的红外光电信号的转换过程必须轮换进行；而第二类单光敏元型双色探测器则可以以同步读出的方式进行，即两波段的红外光电信号的转换可同时进行，可以真正保证两波段的信号没有时间差，真正做到同步。因此发展单光敏元型双色探测器更有利于提高系统的探测效果。

目前主流的双色红外探测器产品均是采用III-V族化合物半导体材料或采用Si结合III-V族半导体材料制成，器件虽然具有高量子效率和高灵敏度的优势，但也存在材料成本高、制备困难等不足。此外，目前几乎所有的红外焦平面读出电路均为Si基集成电路，而III-V族光敏元无法与Si直接进行片上集成，因此需采用铟柱倒焊封装等技术将光敏元与Si读出电路进行耦合才能实现成像应用。可见，若能开发出利用Si本身或者与Si材料工艺兼容的红外双色探测器光敏元，则一方面可以利用Si材料储量高工艺成熟的优势，显著降低探测器的制造成本。另一方则由于具有与Si读出电路兼容的天然优势，可以真正实现片上集成的高均匀性大面积焦平面阵列。此外，绝大多数III-V和II-VI族探测器通常具有高的暗电流，因而需要配合制冷部件才能工作，而Si基探测器通常具有低暗电流、可室温工作的优势，减少对制冷部件的需求。因此，Si基双色红外探测器将在红外传感技术领域具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Si基三维Ge量子点晶体光伏型近中红外双色探测器，该探测器利用三维Ge量子点晶体内的高效基态微带带间跃迁和价带微带子带间跃迁形成强的近红外和中红外波段光吸收，从而同时实现对近中红外波段的高效双色探测，在红外传感技术领域具有广泛的应用前景。

本发明的一种Si基三维Ge量子点晶体光伏型近中红外双色探测器，所述探测器结构为PIN或NIP结构的光伏型光电二极管结构，其中以三维Ge量子点晶体作为光吸收区。

所述探测器中三维Ge量子点晶体为低掺杂浓度的I区，P区和N区均为高掺杂浓度的Si层，器件工作偏压为0至-5V。

所述低掺杂浓度具体为低于1×10¹⁸cm^-3；所述高掺杂浓度具体为不低于1×10¹⁸cm^-3。