[发明专利]一种基于带间级联结构的长波超晶格红外探测器

说明书

本发明公开了一种基于带间级联结构的长波超晶格红外探测器。与传统的PIN器件结构相比，带间级联结构通过电子隧穿区和多量子阱弛豫区实现光生载流子的单方向输运，抑制了器件的产生复合电流、隧穿电流和侧壁漏电，从而大大提高该红外探测器的信噪比。特别是在结构中采用了多组同周期的量子阱来实现窄禁带宽度下电子弛豫区的设计，实现了长波带间级联的载流子输运，可获得30％左右的量子效率。因此本发明公开的结构利用InAs/GaSb/AlSb三种二元化合物形成不同周期厚度的超晶格和多量子阱材料，构成一种基于带间级联结构的长波超晶格红外探测器，降低器件的暗电流，获得高灵敏度和高探测率的长波器件。

技术领域

本发明涉及一种基于带间级联结构的长波超晶格红外探测器，它应用于高性能长波红外焦平面探测器及成像系统核心元器件。

背景技术

InAs/GaSb II类超晶格是第三代红外焦平面探测器的优选材料，近年来，美国、德国、日本等国都在大力发展基于该II类超晶格的红外探测技术。InAs/GaSb异质材料体系具有十分特殊的能带排列结构，InAs禁带宽度小于InAs/GaSb的价带偏移，因此InAs的导带底在GaSb的价带顶之下，构成II类超晶格。这就导致电子和空穴在空间上是分离的，电子限制在InAs层中，而空穴限制在GaSb层中，其有效禁带宽度为电子微带至重空穴微带的能量差。成熟的III-V族化合物的分子束外延生长技术为高性能II类超晶格的制备提供了技术支持。更为重要的是，II类超晶格材料体系给予探测器结构更多的可能性去设计多势垒结构，改善器件输运，并利用结构设计降低长波探测器的暗电流，提高器件性能。

带间级联结构一般用在中波红外探测器，达到高温工作的效果。结构中包含吸收区、电子隧穿区、多量子阱弛豫区，吸收区产生的光生载流子通过弛豫区弛豫到低能级，并通过电子隧穿区隧穿到下一级吸收区。通过该带间级联结构，大大降低探测器的隧穿电流和产生复合电流，同时通过多级级联，进一步降低探测器噪声。多级级联结构还有助于解决超晶格探测材料中扩散长度受限的问题，提高探测器的吸收效率和灵敏度。

本发明将带间级联结构应用在长波10-12微米波段，并利用多组同周期结构多量子阱的手段解决窄禁带宽度下光生电子弛豫的难题，使得长波带间级联结构可以保证30％左右的量子效率。

长波超晶格探测器还有一个难题是侧壁漏电，侧壁钝化是一个有效的抑制手段，但在吸收区为P型的长波甚长波波段，目前还没有特别有效的钝化手段，采用多量子阱结构和多势垒结构，可以有效抑制侧壁电子的输运，达到抑制侧壁漏电的效果。综上所述，通过该带间级联结构，长波超晶格探测器将大大提高信噪比和探测率。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于带间级联结构的长波超晶格红外探测器结构，解决目前存在以下技术问题：

1.长波超晶格探测器PIN结构暗电流水平特别是产生复合电流和隧穿电流偏高的问题；

2.长波超晶格探测器为台面结构，侧壁漏电的抑制是其难点，通过多量子阱势垒结构的引入，有效抑制侧壁漏电；

如附图1所示，本发明的带间级联长波超晶格探测器结构为：由InAs衬底9自下而上依次为长波超晶格N型接触层1、空穴势垒层2、第一级长波超晶格吸收区3、多量子阱电子隧穿区4、多量子阱电子弛豫区5、第二级长波超晶格吸收区6、电子势垒区7和长波超晶格P型接触层8，下电极TiPtAu11位于长波超晶格N型接触层1上，上电极TiPtAu10位于长波超晶格P型接触层8上，其特征在于：

所述的长波超晶格N型接触层1的结构为20-80周期长波超晶格，每周期由5-7nmInAs和2-4nm GaSb构成，N型掺杂浓度为10¹⁶-10¹⁷cm^-3；