一种基于极化增强的Ⅱ型量子点光学门控场效应晶体管日盲紫外探测器

一种基于极化增强的ⅱ型量子点光学门控场效应晶体管日盲紫外探测器
技术领域
1.本发明涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种基于极化增强的ⅱ型量子点光学门控场效应晶体管日盲紫外探测器。


背景技术：

2.紫外探测技术是继激光和红外探测技术之后迅速发展起来的又一新型光电探测技术，其在环境监测、生化检测、工业燃烧过程控制、医学紫外成像、紫外通信、紫外预警、紫外侦查和紫外制导等民用和军事领域有着重大需求。
3.紫外探测器是可以将光信号转化为电信号的电子元器件。第一代紫外探测器主要以光电倍增管为主。虽然光电倍增管具有稳定性好、暗电流低、响应速度快、电流增益高等优点，但其大体积、高电压、大功耗、高成本等缺点严重限制了光电倍增管的应用。第二代紫外探测器具有体积小、重量轻、不需要高偏置电压等优点，其材料主要为sic、algan、ga2o3和金刚石等宽禁带半导体。其中，algan相比其他材料具有优势，但其仍然存在以下问题：algan的p型掺杂mg受主激活能很高，掺杂效率低，获得高电导p型材料不易；宽禁带的algan雪崩击穿电压大，雪崩暗电流比较高，较难实现单光子探测。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种实现了具有高探测灵敏度和单光子探测能力的基于极化增强的ⅱ型量子点光学门控场效应晶体管日盲紫外探测器。
5.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种基于极化增强的ⅱ型量子点光学门控场效应晶体管日盲紫外探测器，包括衬底，所述衬底上依次叠设有algan层、algan复合功能层和inaln薄膜层；
7.其中，所述inaln薄膜层中具有algan/inalnⅱ型量子点；
8.所述algan层为二维电子气的诱导层；
9.所述algan复合功能层为极化增强层，及所述ⅱ型量子点与二维电子气沟道之间的隔离层。
10.进一步地，所述algan/inalnⅱ型量子点通过生长在所述algan复合功能层上的algan薄层，采用纳米模版刻蚀形成。
11.进一步地，所述inaln薄膜层上还设置有源、栅、漏三端电极。
12.进一步地，所述源极和漏极形成欧姆接触。
13.进一步地，所述栅极采用透明电极。
14.进一步地，所述衬底为蓝宝石衬底。
15.本发明的有益效果：
16.本发明利用algan层与inaln薄膜层之间强大的极化电场，在界面处诱导二维电子气，使探测器在受激发而开启时产生较大的工作电流，因此获得较大的信噪比；
型量子点与二维电子气沟道之间的隔离层，algan复合功能层作为极化增强层，inaln层中引入了algan/inalnⅱ型量子点，inaln层中的algan/inalnⅱ型量子点，通过生长在所述algan复合功能层上不同al组分的algan薄层，采用纳米模版刻蚀形成algan量子点，然后再二次外延伸inaln包覆层形成的，源极和漏极应形成欧姆接触，所述栅极应根据能带结构和探测光谱要求选择合适的透明电极。
28.具体而言，图1展示了本发明的器件结构和探测原理。本实施例中，以蓝宝石作为衬底，保证异质外延晶体的质量，利用algan/inaln的异质结结构产生的二维电子气作为基本探测机制，在此基本结构的基础上，引入了algan/algan/inalnⅱ型量子点以及algan复合功能层，实现了高探测灵敏度的极化增强的ii型量子点光学门控场效应晶体管日盲紫外光电探测器。
29.本实施例中，较高的探测灵敏度主要归功于其探测机制：如图1所示，当入射光照入器件吸收层被吸收后，由光激发的电子空穴对在栅极反向电压的作用下，电子向二维电子气(2deg)方向移动并被2deg沟道捕获，注入二维电子气中，空穴则向着器件表面移动，并在迁移至量子点处是被俘获。俘获空穴的量子点将在该处形成电场，造成一定的栅压变化
△vg
，因此改变源极和漏极之间的沟道电流i
ds
，从而实现对目标光子信号的检测。值得注意的是，由于该类器件的跨导gm很大，即使是单个空穴的俘获，也会引起i
ds
的宏观变化，这一特性决定了该器件具备与生俱来的高探测灵敏度以及单光子分辨能力。
30.本实施例中，采用ⅲ族氮化物来制备量子点光学门控场效应晶体管探测器，该族材料相比于其他半导体材料拥有下列优势：首先，ⅲ族氮化物半导体材料属于宽带隙材料，量子点在能带中可以产生很大的带偏，因此，ⅲ族氮化物半导体量子点在室温下就拥有很强的空穴俘获能力；其次，相比于gaas材料，gan基的场效应晶体管器件的跨导要高很多，因此，对于器件的栅的尺寸的要求大大降低，避免了昂贵的电子束曝光制备工艺；最后，传统的si基日盲紫外探测器还需要外部配备昂贵的光滤波片，而ⅲ族氮化物的带宽恰好属于日盲紫外波段，可有效降低额外成本。
31.本实施例中，采用ⅲ族氮化物材料的另外一个优势就是：纤锌矿结构的ⅲ族氮化物材料因为缺乏中心反演对称性而使其具有非常强的极化效应，包括自发极化和压电极化，极化强度可达mv/cm量级，这是ⅲ族氮化物材料区别于其他化合物半导体的显著特性。本发明中利用了极化效应引入二维电子气实现了器件的高频、高功率特性。同时，极化场有利于光生电子空穴对的分离，缩短光生载流子的渡越时间，故该特性适合制备光电探测器，可以提高探测器的响应度。
32.本实施例中，在量子点结构和二维电子气沟道之间插入一层兼具光吸收和隔离作用于一体的极化增强的algan复合功能层。通过调节异质结构之间应力关系和组分变化，在该复合功能层中引入与反偏栅压电场方向一致的极化电场，加速光生电子-空穴对的分离，缩短光生载流子的渡越时间；同时复合功能层在量子点和二维电子气之间起到隔离作用，起到进一步加强量子点对空穴的俘获和提高沟道二维电子气浓度的作用，大幅度提高探测灵敏度，实现单光子探测。
33.本实施例中，构建了algan/inaln空穴限制型ⅱ型量子点来代替之前报道过的gan/alganⅰ型量子点结构，其原理如图2所示。i型电子空穴波函数存在大量的重叠，ii型量子点中电子空穴波函数重叠很少。以al
0.6
ga
0.4
n量子点为例，当inaln基质的in组分处于
0.12到0.23之间，不仅可以保证inaln的带隙宽度处于日盲紫外区，而且构筑的algan/inaln量子点为ii型能带结构。在外加电场的作用下，电子空穴对将会被更加彻底的空间分离，进一步增强量子点对空穴的俘获和限制作用，从而获得更大的栅压变化。
34.本发明具有以下技术效果：
35.1.利用algan与inaln之间强大的极化电场，在界面处诱导二维电子气，使探测器在受激发而开启时产生较大的工作电流，因此获得较大的信噪比。
36.2.algan复合功能层作为ⅱ型量子点与二维电子气沟道之间的隔离层，加强了量子点对空穴的捕获能力，同时提高了algan层沟道内的二维电子气浓度，大幅提高探测器的灵敏度，可实现单光子检测。
37.3.algan复合功能层其作为极化增强层，可以通过调节异质结构之间的应力关系与组分变化，在该复合层中产生与栅压偏置方向一致的极化电场，从而加速光生电子空穴对的分离，缩短光生载流子的渡越时间，提高探测器的响应度。
38.4.光生电子空穴对分离之后，空穴向器件顶部移动，并在inaln层被量子点所捕获，与algan层产生的二维电子气形成强大的内建电场，即形成光栅。当光栅电压达到探测器的阈值电压时，器件开启，实现高信噪比、高响应度、高灵敏度的algan/inalnⅱ型量子点光学门控场效应晶体管日盲探测器。
39.5.采用透明电极可增加光线的入射率，实现更高的光响应度。
40.以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。