专利名称：一种波长上转换半导体结构及其光探测方法
技术领域：
本发明属于半导体材料和器件制作领域，具体涉及用于红外弱光探测的半导体器件结构。
背景技术：
红外探测技术在环境污染监控、气象探测、热成像、天文观测以及军事领域中有着非常重要的作用。目前应用于微弱红外光探测的技术路线主要有基于HgCdTe(MCT)半导体材料的红外探测器、基于窄禁带半导体InSb及其II型量子阱的红外探测器、基于量子阱子带间跃迁的量子阱红外探测器(QWIP)、基于量子点子带间跃迁的量子点红外探测器 (QDIP)以及基于波长上转换的红外探测器。由于很多应用场合的红外信号光强度极低，因此对红外探测器的暗计数提出了很高的要求。MCT红外探测器和InSb基红外探测器中的暗计数主要由扩散、产生-复合、缺陷辅助隧穿、带间隧穿等机理造成(W.D.Hu，et al.，Analysis of temperature dependence of dark current mechanisms for long-wavelength HgCdTe photovoltaic infrared detectors, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 105，104502，2009)，虽然这些探测器可以达到较高的探测率水平，但其暗计数仍普遍较大。此外，这两种材料的热膨胀系数和Si的热膨胀系数相差很大，将其与Si基读出电路对接时的技术难度大。对于QWIP和QDIP，由于其利用的是导带子带间的跃迁，极易受热噪声以及外加电场的影响OLDehdashti Jahromi et al. ， Investigation of the quantum dot infrared photodetectors dark current, Optics & Laser Technology43，1020-1025，2011)，故其暗记数水平一般与 MCT 探测器相当。基于波长上转换的红外探测器的工作原理为将目标红外光通过前级的波长上转换器件变为Si-APD、光电倍增管(PMT)等探测器探测波长范围内的短波长信号光，再由后级的Si-APD、PMT等探测器收集探测此短波长信号光。由于Si-APD和PMT探测器的暗计数可以达到极低的水平，而且制作技术已经相当成熟，故只要波长上转换过程引入的暗计数很小，就可以实现低暗计数的红外弱光探测。因此，制作这种探测器的关键在于前级的波长上转换器件的效率以及引入的暗计数水平。目前主要的波长上转换的方法以及优缺点如下(Y.Yang，et al.，Semiconductor infrared up—conversion devices, Progress in Quantum Electronics 35,77-108, 2011)基于非线性晶体参量过程的频率上转换，可获得较高的转换效率，但是由于泵浦光极强以及寄生的非线性效应，使其暗记数非常大；基于稀土元素离子或过渡金属离子亚稳态中间能级的波长上转换，其转换效率较高，但是由于这些亚稳态中间能级均是固定的，所以其可探测的波长范围非常窄；基于俄歇复合的波长上转换，也可获得较高的转换效率，但是只能应用于近红外波段的探测，无法探测中、远红外光；基于两步双光子吸收的波长上转换，其转换效率较低，只能应用于近红外波段的探测；基于QWIP+LED或QDIP+LED的波长上转换，其转换效率很高，但是由于其上转换机理是基于QWIP或QDIP的，故其暗记数水平无法优于QWIP或QDIP。
发明内容
为了解决极微弱红外光探测时由于探测器暗计数高而无法获得足够高的信噪比的问题，本发明提出一种波长上转换半导体结构，包括衬底、下电极接触层、下过渡层、波长上转换区、上过渡层、上电极接触层，其特征在于所述的波长上转换区最少包括两个量子势阱层和位于二者之间的势垒层，量子势阱层-1和量子势阱层-2可同时为量子阱，或者其中之一为量子点；量子势阱层-1中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差对应于待测红外光子的能量，且电子激发态能级低于势垒层导带；量子势阱层_2中的电子基态能级与空穴基态能级之间的能量差(对应的光波长位于具有极低暗计数的Si-APD、 SiC-APD或PMT等光探测器的响应带宽之内)大于量子势阱层-1中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差，且量子势阱层-2中的电子基态能级与量子势阱层-1中的电子激发态能级之间的能量差小于50meV。所述波长上转换区的量子势阱层_1、量子势阱层_2 和势垒层的厚度分别为1-50原子层，其材料是下列各材料体系中的任意一种铝镓铟砷、 铝镓铟磷、铝镓铟砷锑、铝镓铟砷磷、铝镓铟氮、硅锗。该结构是所述波长上转换区中的量子势阱层和势垒层为基本单元的周期性结构，其重复周期数为1-1000。基于所述波长上转换半导体结构，本发明提出一种探测红外弱光的方法，其特征在于，通过光泵浦、电注入或掺杂的方式使所述波长上转换区量子势阱层-ι中电子处于基态能级；当吸收红外光子时，量子势阱层-ι中的电子从基态能级跃迁到激发态能级，但无法直接越过势垒层进入量子势阱层_2中；调节量子势阱层_2中的电子基态能级与量子势阱层-1中的电子激发态能级的相对关系使其满足共振隧穿的条件，并使处于量子势阱层-1中的激发态的电子通过共振隧穿进入量子势阱层_2 ；进入量子势阱层_2的电子从电子基态能级跃迁到空穴基态能级，发生电子_空穴复合，发出可被具有极低暗计数的光探测器(如Si-APD、SiC-APD、PMT)所探测的短波长光子。本发明的优势在于，处于量子势阱层-1中的激发态的电子是通过共振隧穿的方式进入量子势阱层-2，极大地降低了波长上转换过程引入的暗计数。
图1为GaAs基量子阱与量子阱构成的红外光上转换结构示意图。100-光栅结构，102-GaAs 衬底，104_n 型 GaAs 下电极接触层，105-n 型 Ala3Gaa7As 过渡层，106-AlQ.8Gaa2AS 过渡层，108-n 型 GaAs 量子阱层，IlO-AlAs 势垒层，112-Al0.2Ga0.8As 量子阱层，114-p型Ala7Gaa3As过渡层，116-p型GaAs上电极接触层。图2为GaAs基量子阱与量子阱构成的红外光上转换结构的能带图。200-GaAs量子阱电子基态能级，202_GaAs量子阱激发态电子波函数，204_GaAs量子阱电子激发态能级，206-Ala2Ga(1.8AS量子阱电子基态能级，208-Ala2Ga(1.8AS量子阱激发态电子波函数，210-电子费米能级，212-空穴费米能级。图3为GaN基量子点与量子阱构成的红外光上转换结构示意图。300-蓝宝石衬底，302-A1N下电极接触层，304-A1N过渡层，306-GaN量子点， 308-A1N 势垒，310-AlQ.3GaQ.7N 量子阱，312-A1N 过渡层，314_p 型 GaN 上电极接触层，316_n型电极，318-p型电极。图4为GaN基量子点与量子阱构成的红外光上转换结构的能带图。400-GaN量子点电子基态能级，402-GaN量子点电子激发态能级，404_Α1α 3GaQ. 7N 量子阱电子基态能级，406-GaN量子阱空穴基态能级，408-GaN量子点激发态电子波函数， 410-A1。. 3Ga0.7N量子阱基态电子波函数。图5为GaAs基多周期量子点与量子阱红外光波长上转换结构示意图。500-GaAs 衬底，502-n+Al。. 5Ga0.5As 下电极接触层，504-n-Al。. 5Ga0.5As 过渡层， 506-i-Al0.5Ga0.5As 过渡层，508-i_Al0.8Ga0.2As 电子阻挡层，510-i_Al0.5Ga0.5As 过渡层， 512-i-Al0.25In0.75As 量子点，514-i_Al0.8Ga0.2As 势垒层，516-i-GaAs 量子阱，518-重复 510、512、514、516，共 10 个周期，520-i-AlQ.5GaQ.5As 过渡层，522-p-AlQ.5GaQ.5As 过渡层， 524-p+Ala5Gaa5AS上电极接触层，526-p型电极，528_n型电极，530-泵浦光，532-入射红外光，534-出射可见光。图6为GaAs基多周期量子点与量子阱红外光波长上转换结构的能带图。600-n-Al0.5Ga0.5As 过渡层导带，602-p-AlQ.5GaQ.5As 过渡层价带，604-AlQ.25InQ.75As 量子点空穴基态能级到电子基态能级的跃迁，606-Ala25In(l.75AS量子点电子基态能级到激发态能级的跃迁，608-Ala25Ina75AS量子点电子激发态能级到GaAs量子阱电子基态能级的共振隧穿，610-GaAs量子阱电子基态能级到空穴基态能级的跃迁，612-Ala25In(l.75AS量子点激发态电子波函数，614-GaAs量子阱基态电子波函数。
具体实施例方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1本实例所述的7 μ m红外光上转换器件的结构如图1所示，该结构材料利用典型的半导体材料外延技术如分子束外延技术、金属有机化学气相沉积技术等，在GaAs衬底上依次生长而成。GaAs衬底上的光栅结构是利用半导体加工工艺制作而成。其中，100为光栅结构，用于将垂直表面入射的红外光转化为可被量子阱子带吸收的成分，102为GaAs衬底，104为η型GaAs下电极接触层，105为30nm η型Ala3Gaa7As过渡层，106为50nm Al0.8Ga0.2As过渡层，108为掺杂浓度为8 X 1018cnT3、厚度为4nm的η型GaAs量子阱层，110 为 2nm AlAs 势垒层，112 为 8nm Ala2Gatl 8As 量子阱层，114 为 200nm Ala7Gaa3As 过渡层，116-p型GaAs上电极接触层。本实例所述的7 μ m红外光上转换器件的能带结构如图2所示。200为GaAs量子阱电子基态能级，202为GaAs量子阱激发态电子波函数，204为GaAs量子阱电子激发态能级，206为Ala2Gaa8As量子阱电子基态能级，208为Ala2Gaa8As量子阱激发态电子波函数， 210为电子费米能级，212为空穴费米能级。η型GaAs量子阱的电子基态由于掺杂而被填满，电子激发态能级与基态能级之间的能量差等于7 μ m红外光子的能量。当波长为7 μ m的红外光子入射时，电子从基态能级跃迁到激发态能级。通过施加外加偏压使GaAs量子阱电子激发态能级和Ala2Gaa8As量子阱的电子基态能级满足共振隧穿的条件。由于AlAs势垒只有2nm的厚度，同时在外加偏压的作用下，处于GaAs量子阱激发态的电子共振隧穿进入Ala2Gaa8As量子阱的电子基态能级，再跃迁到Ala2Gaa8As量子阱的空穴基态能级，电子空穴复合发出可被Si-APD探测的740nm 波长的光子。利用该器件进行微弱的7μπι红外光子探测，可实现暗记数小于lOOOOcps。实施例2本实例所述的2 μ m红外光上转换器件的结构如图3所示，该结构材料利用典型半导体材料外延技术，如分子束外延技术、金属有机化学气相沉积技术等，在蓝宝石衬底上依次生长而成。其中，300为蓝宝石衬底，302为200nm η型AlN下电极接触层，304为IOOnm AlN 过渡层，306为GaN量子点，量子点平均尺寸4nm，308为2nm AlN势垒，310为2nmAla 3Ga0.7N 量子阱，312为IOOnm AlN过渡层，314为IOOnm ρ型GaN上电极接触层，316为η型电极， 318为ρ型电极。本实例所述的2 μ m红外光上转换器件的能带结构如图4所示。400为GaN量子点导带电子基态能级，402为GaN量子点导带电子激发态能级，404为AlGaN量子阱导带电子基态能级，406为GaN量子阱价带空穴基态能级，408为GaN量子点导带激发态电子波函数， 410为AlGaN量子阱导带基态电子波函数。本实施例器件的工作过程如下。首先用308nm激光泵浦的方式将GaN量子点价带电子泵浦到导带电子基态能级。该GaN量子点导带电子激发态能级与基态能级之间的能量差等于2μπι红外光子的能量。当吸收波长为2μπι的红外光子时，GaN量子点中的电子从基态能级跃迁到激发态能级。通过施加外加偏压使GaN量子点电子激发态能级和AlGaN量子阱的电子基态能级满足共振隧穿的条件。由于AlN势垒只有2nm厚度，同时在外加偏压的作用下，处于GaN量子点激发态的电子共振隧穿进入AlGaN量子阱的电子基态能级，再跃迁到AlGaN量子阱的空穴基态能级，电子空穴复合发出可被Si-APD探测的364nm波长的光子。利用该器件进行微弱的2 μ m红外光子探测，可实现暗记数小于3000cps。实施例3本实例所述的3. 1 μ m红外光上转换器件的结构如图5所示，该结构材料利用典型半导体材料外延技术如分子束外延技术、金属有机化学气相沉积技术等，在GaAs衬底上依次生长而成。其中，500为GaAs衬底；502为n+Al0.5Ga0.5As下电极接触层，厚度300nm ； 504 为 n-Al0.5Ga0.5As 过渡层，厚度 500nm ；506 为 I-Ala5Gaa5As 过渡层，厚度 50nm ；508 为 I-Al0.8Ga0.2As电子阻挡层，厚度50匪；510为I-Ala5Gaa5As过渡层，厚度50nm;512为 I-Al0.25In0.75As量子点，量子点平均尺寸8nm，量子点导带基态能级与激发态能级的能量差为0. 4eV，量子点导带激发态能级距Ala8Gaa2As势垒层导带底0. 45eV ；514为I-Ala8Gaa2As 势垒层，厚度2nm ；516为i-GaAs量子讲，厚度8nm，量子阱导带基态能级距Ala8Gaa2As 势垒层导带底0. 45eV ；518为重复510、512、514、516的周期结构，共10个周期；520 为 I-Ala5Gaa5As 过渡层，厚度 IOOnm ；522 为 P-Ala5Gaa5As 过渡层，厚度 200nm;524 为 p+Al0.5Ga0.5As上电极接触层，厚度300nm ； 526为ρ型电极；528为η型电极。本实例所述的3. 1 μ m红外光上转换器件的能带结构如图6所示。在1. 2 μ m泵浦光(530)的激发下，电子从Ala25Ina75As量子点价带基态能级跃迁到导带基态能级(604)。 当存在3. Iym红外光(532)入射时，上述跃迁到量子点导带基态能级中的电子将吸收该 3. Iym红外光并从量子点导带基态能级跃迁到激发态能级(606)。由于Ala25Ina75As量子点导带激发态能级与GaAs量子阱导带基态能级的电子能量相等，且Ala25Ina75As量子点导带激发态能级的波函数(612)与GaAs量子阱导带基态能级的波函数(614)存在交叠，故被激发到Ala25Ina75As量子点导带激发态能级的电子可以共振隧穿到GaAs量子阱导带基态能级(608)，进而可以与GaAs量子阱价带基态能级的空穴发生辐射复合(610)，发出在 Si-APD探测范围内的860nm近红外光(534)。 在上述上转换过程中，参与辐射复合的电子由上述共振隧穿过程提供，其隧穿几率可以通过所施加的偏压大小来控制。参与辐射复合的空穴由外加偏压提供。由于高的隧穿势垒以及电子阻挡层势垒的存在，噪声电子进入GaAs量子阱并参与辐射复合的几率被极大地降低，从而使得上述上转换器件存在非常低的暗计数。此外，由于共采用了 10个周期的Ala25Ina75As量子点和GaAs量子阱结构，从而增加了上述上转换器件的吸收效率，大大提升了上述上转换器件的灵敏度。利用该器件进行微弱的3. 1 μ m红外光子探测，可实现暗记数小于5000cps。
权利要求
1.一种波长上转换半导体结构，包括衬底、下电极接触层、下过渡层、波长上转换区、 上过渡层、上电极接触层，其特征在于所述的波长上转换区最少包括两个量子势阱层和位于二者之间的势垒层，量子势阱层-1中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差对应于红外光子能量，且量子势阱层-1中的电子激发态能级低于势垒层导带，量子势阱层-2中的电子基态能级与空穴基态能级之间的能量差大于量子势阱层-1中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差，且量子势阱层_2中的电子基态能级与量子势阱层-1 中的电子激发态能级之间的能量差小于50meV。
2.根据权利要求1所述的一种波长上转换半导体结构，其特征在于所述波长上转换区的量子势阱层-1和量子势阱层_2同时为量子阱，或者其中之一为量子点。
3.根据权利要求1或2所述的一种波长上转换半导体结构，其特征在于所述波长上转换区的量子势阱层-1、量子势阱层_2和势垒层的厚度分别为1-50原子层。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种波长上转换半导体结构，其特征在于所述波长上转换区的量子势阱层-1、量子势阱层_2或势垒层材料是下列各材料体系中的任意一种铝镓铟砷、铝镓铟磷、铝镓铟砷锑、铝镓铟砷磷、铝镓铟氮、硅锗。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种波长上转换半导体结构，其特征在于以所述波长上转换区中的量子势阱层和势垒层为基本单元的周期性结构，其重复周期数为 1-1000。
6.一种利用所述波长上转换半导体结构进行红外弱光探测的方法，其特征在于，通过光泵浦、电注入或掺杂的方式使所述波长上转换区量子势阱层-1中电子处于基态能级；当吸收红外光子时，量子势阱层-1中的电子从基态能级跃迁到激发态能级，但无法直接越过势垒层进入量子势阱层-2中；调节量子势阱层_2中的电子基态能级与量子势阱层-1中的电子激发态能级的相对关系使其满足共振隧穿的条件，并使处于量子势阱层-ι中的激发态的电子通过共振隧穿进入量子势阱层_2 ；进入量子势阱层_2的电子从电子基态能级跃迁到空穴基态能级，发生电子_空穴复合，发出光子的波长位于具有极低暗计数的光探测器(如Si-APD、SiC-APD、PMT)的响应带宽之内。
全文摘要
一种波长上转换半导体结构及其光探测方法，属于半导体材料和器件制作领域，其特征在于所述的波长上转换结构最少包括两个量子势阱层和位于二者之间的势垒层，量子势阱层-1中的电子激发态能级与电子基态能级之间的能量差对应于红外光子能量，量子势阱层-2中的电子基态能级与量子势阱层-1中的电子激发态能级之间的能量差小于50meV。本发明可极大地降低波长上转换过程引入的暗计数。基于所述波长上转换半导体结构的红外弱光探测方法，其特征在于，当吸收红外光子时，处于量子势阱层-1中基态能级的电子跃迁到激发态能级，然后通过共振隧穿进入量子势阱层-2中，电子空穴复合发出可被具有极低暗计数的光探测器所探测的短波长光子。
文档编号H01L31/0352GK102306667SQ20111026348
公开日2012年1月4日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者罗毅, 郝智彪 申请人:清华大学