[发明专利]一种结合带间和价带子带间吸收的稀铋量子阱探测器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体探测器领域，特别涉及一种结合带间和价带子带间吸收的稀铋量子阱探测器及制备方法。

背景技术

半导体探测器是用于探测光的半导体器件，根据所探测光波长的不同可以分为紫外探测器、可见光探测器、红外探测器等等。半导体探测器件的应用领域包含军事，工业，农业，医疗，气象，地球物理，资源勘查等，几乎覆盖了所有的人类科技领域。

半导体探测器采用的机理有许多种，根据其所采用的机理可以分为不同的多种类别。如光导型半导体探测器，利用pn结和肖特基结光伏特性的半导体光伏探测器，肖特基势垒光电管和金属-半导体-金属探测器，具有内部增益的雪崩光电二极管，上述这些探测器一般是吸收光后电子从半导体材料的价带跃迁到导带，利用的是带间跃迁。还有一些探测器利用的则是子带间跃迁，吸收光后电子在导带的不同子带间发生跃迁，或空穴在价带的不同子带间发生跃迁，如量子阱红外探测器、量子点红外探测器、量子级联探测器等。

电子型量子阱红外探测器由于电子的子带光跃迁对入射光的偏振状态具有很强的选择性，只有电矢量垂直于多量子阱生长面入射光才能被电子吸收完成在量子阱中的子带间跃迁，因此对光的耦合方式提出了要求。空穴型量子阱红外探测器的自旋轨道分裂带或轻重空穴价带能够直接吸收垂直入射的光线，完成在不同价带子带间的跃迁，因此无需光栅耦合。传统上，量子阱红外探测器由于利用的是载流子在子带间的跃迁，针对的均是波长较长的光的探测。在一般的半导体材料中，带间吸收和子带间吸收的波长一般是相差很大的，子带间吸收比带间吸收的能量小、波长长。例如，GaAs材料的带间吸收能量约为1.4eV(0.88μm)，而导带子带间吸收波长范围3-15μm。GaAs的自旋轨道分裂能为0.34eV，对应空穴从重空穴价带到自旋轨道分裂带的跃迁波长约为3.6μm。如果能有一种半导体材料制备的探测器能同时利用带间吸收和子带间吸收，则可以增强器件对光的吸收。

近年来，稀铋半导体材料因具有很多独特而重要的特性而引起了国际上越来越多的关注。人们发现当在III-V族材料中加入铋后会产生类似于稀氮材料的带隙收缩，对于GaAs_1-xBi_x材料，1％的Bi引起的带隙收缩约为60-80meV。而铋元素主要对价带产生作用，对导带作用很小，空穴迁移率只是随着铋浓度的升高而略微降低，不会像稀氮材料那样大幅降低电子迁移率及产生大量非辐射复合中心。由于铋原子大的原子质量，稀铋半导体材料还具有大的自旋轨道分裂能，GaAs_1-xBi_x材料中每1％的Bi引起的材料自旋轨道分裂能增加约为45meV。铋元素在普通生长温度下III-V族材料的生长中起表面活化剂的作用，有利于形成平整的界面，增强材料的光学特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结合带间和价带子带间吸收的稀铋量子阱探测器及制备方法，该探测器以p型稀铋势阱层和不掺杂不含铋势垒层构成的量子阱结构作为吸收层，可增强光吸收，提高器件性能；探测器可吸收垂直入射的光，不需要采用光栅耦合，降低器件制备成本；结构和制备方法还可运用于同样进行光吸收的太阳电池制备中，增强太阳电池对光的吸收，提高太阳电池的光电转换效率，具有良好的应用前景。

本发明的一种结合带间和价带子带间吸收的稀铋量子阱探测器，所述探测器以稀铋多量子阱作为吸收层，其中势阱层为p型稀铋III-V族材料，势垒层为不掺杂的不含铋III-V族材料，势阱层p型掺杂浓度介于3×10¹⁷cm^-3至5×10¹⁸cm^-3之间。

所述势阱层中空穴从重空穴价带到自旋轨道分裂带的跃迁能量E₂与电子从价带到导带的跃迁能量E₁相同。

所述稀铋多量子阱吸收层下方为p型高掺杂不含铋III-V族缓冲层，同时作为下接触层；吸收层上方为p型高掺杂不含铋III-V族材料上接触层。

所述上下接触层p型掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3。

本发明的一种结合带间和价带子带间吸收的稀铋量子阱探测器，包括如下步骤：

(1)在半绝缘或p型衬底上先生长一层p型高掺杂不含铋III-V族缓冲层，p型掺杂浓度大于3×10¹⁸cm^-3，同时作为下接触层；