[发明专利]基于量子阱带间跃迁的光电探测器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及光电探测器，更特别地，涉及一种基于量子阱带间跃迁的光电探测器。

背景技术

800nm-1500nm波段的红外光探测器，在局域网通信、长距离光纤通信、微光夜视和红外热成像等领域具有重要的应用价值。该类探测器一般由诸如PIN光电二极管或雪崩光电二极管之类的光电二极管制成。光电二极管只能对波长与光子吸收层材料的禁带宽度Eg对应的光，或波长比上述波长稍短的光敏感。因此，需要根据光的波段来选择适当的光子吸收层材料。一般使用的光电二极管包括Si、Ge、以及InP衬底上具有InGaAs层的光电二极管。Si的禁带宽度为1.1eV，其对可视光到近红外波段范围具有灵敏度。Ge的禁带宽度为0.67eV，其对红外波段具有灵敏度。InP衬底上具有InGaAs层的光电二极管常用于1.3μm至1.55μm的光通信应用中。

在这些常用的光电探测器中，为了保证足够的光吸收效率，通常采用较厚的本征吸收层。例如，对于910nm附近的红外光而言，本征Si(i-Si)吸收层的厚度需要达到12μm，才可以保证大部分光都被吸收。然而，厚的本征吸收层增大了载流子的渡越时间，从而降低了光电二极管的响应速度。而且，较厚的本征吸收层导致外延成本增加。对于InP基的InGaAs光电二极管而言，InP衬底价格昂贵，且机械强度较低，使得市场对于低成本的探测器长期保有期待。

因此，期望能够提供一种光电探测器，其具有高效率、低噪声，并且能够以较低的成本来制造。

发明内容

一般认为，尽管应变量子阱的带隙可以在较大的范围内进行调节，但是受应变积累的影响，量子阱结构的厚度一般较薄，所以当利用其带间跃迁机制形成光电探测器时，量子效率会比较低。因此，当有适当的体材料与目标波长相对应时，一般不会考虑量子阱材料。

本发明人发现，半导体PN结对量子阱结构吸收层的光子吸收过程具有重要的影响。PN结的出现导致光子经量子阱带间跃迁过程被吸收之后，所形成的光生载流子可以高效率地进入连续态，形成光电流。该现象的发现使得利用量子阱带间跃迁实现光电探测成为可能。应理解的是，在本发明中，“量子阱”一般也涵盖量子点，只是为了说明的便利而统称为“量子阱”。

因此，本发明的一个方面在于提供一种基于量子阱带间跃迁的光电探测器。该光电探测器包括：第一半导体层，其具有第一导电类型；第二半导体层，其具有第二导电类型，所述第二导电类型不同于所述第一导电类型；以及设置在所述第一半导体层和所述第二半导体层之间的光子吸收层，所述光子吸收层包括至少一个量子阱层以及设置在每个所述量子阱层两侧的势垒层。

在本发明一示范性实施例中，所述第一半导体层、所述第二半导体层和所述势垒层包括GaAs或AlGaAs，所述量子阱层包括选自如下组的材料：应变InGaAs量子阱、InAs量子点、以及InAs/InGaAs量子阱中量子点。

在本发明一示范性实施例中，所述第一半导体层、所述第二半导体层和所述势垒层包括InP或InAlAs，所述量子阱层包括选自如下组的材料：应变InGaAs量子阱、InAs量子点、InAs/InGaAs量子阱中量子点、InSb量子阱、InAsSb量子阱。

在本发明一示范性实施例中，所述第一半导体层、所述第二半导体层和所述势垒层包括GaSb，其中所述量子阱层包括选自如下组的材料：应变InSb量子阱、InAs量子阱、InAsSb量子阱。

在本发明一示范性实施例中，所述第一半导体层、所述第二半导体层和所述势垒层包括Si，其中所述量子阱层包括选自如下组的材料：Ge量子阱和GeSi量子阱。

在本发明一示范性实施例中，所述光子吸收层包括n个量子阱层，n是1至200之间的正整数。

在本发明一示范性实施例中，所述量子阱层的厚度为1-60nm，所述势垒层的厚度为1-100nm。

在本发明一示范性实施例中，所述光子吸收层的厚度为50nm至20μm之间。

在本发明一示范性实施例中，所述光电探测器还包括设置在所述光子吸收层与所述第一半导体层或所述第二半导体层之间的倍增层。

在本发明一示范性实施例中，所述光电探测器还包括设置在所述倍增层与所述光子吸收层之间的电荷层。

在本发明一示范性实施例中，所述光电探测器还包括设置在所述吸收层与所述电荷层之间的渐变层。