一种内嵌重掺杂光栅层的半导体红外探测器

摘要

本发明实施例公开了一种内嵌重掺杂光栅的半导体红外探测器。该半导体红外探测器包括：衬底；在所述衬底上依次生长的下电极层、多量子阱有源层、以及上电极层；在所述衬底上还生长有重掺杂光栅层，所述重掺杂光栅层生长在所述上电极层和所述多量子阱有源层之间，或者所述多量子阱有源层和所述下电极层之间；在所述衬底上还生长有过渡层，所述过渡层生长在所述重掺杂光栅层和所述多量子阱有源层之间。本发明实施例通过在多量子阱有源层和下电极层之间，或者多量子阱有源层和上电极层之间设置重掺杂光栅层，以使得入射光与重掺杂光栅层中的电子相互作用并在光栅层界面形成等离激元，从而在多量子阱有源层内形成局域增强的光场，进而提高探测器有源区的吸收效率。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及半导体材料和器件领域，具体涉及一种内嵌重掺杂光栅层的半导体红外探测器。

背景技术

红外探测器是工作在中长波、甚长波频段的重要器件。目前广泛使用的红外探测器有碲镉汞探测器和砷化镓系量子阱探测器，而量子阱红外探测器由于其子带间跃迁的跃迁机制，导致其只对有沿量子阱生长方向电场分量的入射光有吸收，从而导致小的吸收效率及探测率。

因此量子阱红外探测器在实际使用中，常使用表面光栅结构或者45度入射面来解决对入射光的偏振选择性的问题。也有通过表面金属光栅的表面等离激元效应来解决这一问题，同时利用表面等离激元的光场局域特性来增强有源区对入射光的吸收效率。而在体材料探测器中，也可利用表面等离激元对光场的限制，压缩有源区厚度。

表面等离激元是当光通过带有二维小孔阵列的金属薄膜时，由于入射光与金属中自由电子相互作用产生的耦合振荡，在金属与介质交界面附近形成特定频率的光场的局域增强。

表面等离激元的振幅在垂直金属-半导体交界面的方向上衰减，但在器件制作过程中，由于金属只能沉积在器件表面，要使光场在有源区得到增强，就需要牺牲一定的上电极层和有源层厚度使有源区位于表面等离子体激元的穿透深度内，制约了探测器的响应度。

发明内容

本发明实施例的一个目的是解决现有技术由于使用金属光栅需要牺牲部分厚度以换取响应度的问题。

本发明实施例提出了一种内嵌重掺杂光栅的半导体红外探测器，包括：衬底；在所述衬底上依次生长的下电极层、多量子阱有源层、以及上电极层；在所述衬底上还生长有重掺杂光栅层，所述重掺杂光栅层生长在所述上电极层和所述多量子阱有源层之间，或者所述多量子阱有源层和所述下电极层之间；

在所述衬底上还生长有过渡层，所述过渡层生长在所述重掺杂光栅层和所述多量子阱有源层之间。

优选地，所述重掺杂光栅层具有一维或两维周期性亚波长结构。

优选地，所述重掺杂光栅层的材料为砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝中的任何一种，或者构成的三元/四元化合物。

优选地，所述重掺杂光栅层的掺杂类型为n型或p型，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10²¹cm^-3。

优选地，所述重掺杂光栅层的光栅图案包括：条形、圆形、方形、三角形。

优选地，在重掺杂光栅层的光栅图案为圆形时，所述重掺杂光栅层的光栅占空比为0.1–0.7；

光栅图案为除圆形之外的其他图案时，光栅占空比为0.1-0.9。

优选地，所述重掺杂光栅层的光栅周期为0.5μm–20μm。

优选地，所述重掺杂光栅层的厚度为2nm–500nm。

优选地，所述重掺杂光栅层与所述多量子阱有源层的间距为2nm–500nm。

由上述技术方案可知，本发明实施例提出的一种内嵌重掺杂光栅层的半导体红外探测器通过在多量子阱有源层和下电极层之间，或者多量子阱有源层和上电极层之间设置重掺杂光栅层，以使得入射光与重掺杂光栅层中的电子相互作用并在光栅层界面形成等离激元，从而在多量子阱有源层内形成局域增强的光场，进而提高探测器有源区的吸收效率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一实施例提出的一种内嵌重掺杂光栅的半导体红外探测器的结构示意图；

图2示出了本发明一实施例提出的一种内嵌重掺杂光栅的半导体红外探测器的中光栅层周期性孔阵的结构示意图。

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的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的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。

图1示出了本发明一实施例提出的一种内嵌重掺杂光栅层的半导体红外探测器的结构示意图，参见图1，该半导体红外探测器，包括：衬底100；在所述衬底100上依次生长的下电极层101、重掺杂光栅层102、过渡层103、多量子阱有源层104以及上电极层105。

不难理解的是，重掺杂光栅层102的生长位置可设置，例如：图1中将重掺杂光栅层102设置在多量子阱有源层104和下电极层101之间；也可以将重掺杂光栅层102设置在多量子阱有源层104和上电极层105之间；

相应地，过渡层103的位置也需要对应设置，以使过渡层103处于重掺杂光栅层102和多量子阱有源层104之间，达到隔开重掺杂光栅层102和多量子阱有源层104的作用。

若重掺杂光栅层102设置在多量子阱有源层104和上电极层105之间，则衬底100上依次生长下电极层101、多量子阱有源层104、过渡层103、重掺杂光栅层102和上电极层105。

其中，上电极层105为n型掺杂和p型掺杂中的一种，下电极层101为n型掺杂和p型掺杂中的另一种；n型电极层和p型电极层举例为：GaAs电极层。

另外，在下电极层101上还设置有下供电电极107，在上电极层105上还设置有上供电电极106。本实施例通过在多量子阱有源层104和下电极层101之间，或者多量子阱有源层104和上电极层105之间设置重掺杂光栅层102，以使得入射光与重掺杂光栅层102中的电子相互作用并在光栅层界面形成等离激元，从而在多量子阱有源层104内形成局域增强的光场，进而提高探测器有源区的吸收效率。

本实施例中，重掺杂光栅层102的材料可以为砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝中的任何一种，或者构成的三元/四元化合物，例如，砷化镓铟；

重掺杂光栅层102具有一维或两维周期性亚波长结构，掺杂类型为n型或p型，掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3～1×10²¹cm^-3，例如：10²⁰cm^-3。

光栅图案可以为条形、圆形、方形、三角形等。在重掺杂光栅层的光栅图案为圆形时，所述重掺杂光栅层的光栅占空比为0.1–0.7；光栅图案为除圆形之外的其他图案时，光栅占空比为0.1-0.9。例如，在光栅图案为方形，其占空比为0.5。其光栅周期为0.5μm–20μm。

所述重掺杂光栅层102的厚度为2nm–500nm。

所述重掺杂光栅层102与所述多量子阱有源层104的间距为2nm–500nm。

图2示出了本发明一实施例提出的一种内嵌重掺杂光栅的半导体红外探测器的光栅层周期性孔阵的结构示意图，下面参照图1和图2对本发明实施例的原理进行详细说明：

图1中，上供电电极106和下供电电极107与电源108连接；重掺杂光栅层102包括孔21。

在光探测过程中，入射红外光的波长在4.3μm左右。入射光波穿过衬底和下电极层，在重掺杂光栅层102的上表面和下表面形成表面等离子体波109，形成的表面等离子体波109沿材料外延方向电场强度呈指数衰减，在重掺杂光栅层102附近的范围内，表面等离子体波对电场有局域增强作用，而使得有源区附近存在较大电场强度的局域场，从而得到较大的光电流。

n+-InGaAs的相对介电常数可表示为

其中，是材料的等离子体频率，ε₀为真空的介电常数，ε_s＝13.9和ε_∞＝11.6分别是InGaAs静态和高频下的相对介电常数，m^*＝0.041m₀为电子有效质量，m₀和e分别是电子单位质量和单位电荷。Γ_p＝3×10¹¹Hz是自由电子弛豫系数，Γ_TO～10¹¹Hz为横向光学声子弛豫因子，ω_TO＝6.7×10¹²Hz是横光学声子弛豫因子。

根据公式(1)进行估算，其右侧第一项远小于第二项，可以忽略。掺杂浓度在10²⁰cm^-3的n+-InGaAs等离子体频率ω_p≈8.18×10¹⁴Hz，在入射光λ＝4.3μm下的相对介电常数实部ε₁≈-28.85。过渡层的相对介电常数约为ε₂≈10.5。此时满足了表面等离子体激励时界面两侧介质介电常数符号相反的条件。

又由于对如图2所示的周期为a的二维周期性方孔结构，为实现表面等离激元的激发，必须满足波矢匹配条件：

其中，和分别为表面等离子体波的波矢和入射光在过渡层中的波矢，θ为入射光波的入射角。和是重掺杂半导体光栅的x方向和y方向的单位布拉格波矢，i和j为整数，P_x和P_y为分别光栅在x方向和y方向的周期。

由以上公式可推导得到若要增强对应入射波长为λ的光时，光栅的周期需要满足

穿透深度为

估算得到周期a＝5.22μm，穿透深度δ＝0.17μm。当有源区处在表面等离激元的穿透深度范围内时，能使其附近光场得到增强，故选择合适的周期后，适当调整过渡层和光栅层的厚度，能使得器件得到更优的吸收效率。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。