一种高增益光电探测器
阅读说明：本技术 一种高增益光电探测器 (High-gain photoelectric detector ) 是由 江灏 吕泽升 于 2021-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高增益光电探测器,包括从下到上依次设置的发射极、基极,吸收层和集电极,还包括周期性量子结构层,所述周期性量子结构层设置于发射极和集电极之间,或设置于基极的内部,或设置于发射极的内部；所述周期性量子结构层包括多个周期的重复结构,且每个周期内含有半导体异质结。本发明的周期性量子结构一方面能够阻挡基极空穴向发射极扩散,提高发射结的电子注入比和晶体管的放大倍数,另一方面可以将有效质量更大的空穴束缚于多层量子结构中而降低复合损失,并使器件中空穴寿命超过电子的输运时间,从而在光电晶体管中产生叠加的光电导增益。(The invention discloses a high-gain photoelectric detector, which comprises an emitter, a base, an absorption layer, a collector and a periodic quantum structure layer, wherein the emitter, the base, the absorption layer and the collector are sequentially arranged from bottom to top; the periodic quantum structure layer comprises a plurality of periodic repeating structures, and each period contains a semiconductor heterojunction. The periodic quantum structure can prevent base holes from diffusing to an emitter, improve the electron injection ratio of an emitter junction and the amplification factor of a transistor, and restrict holes with larger effective mass in a multilayer quantum structure to reduce recombination loss, so that the service life of the holes in a device exceeds the transport time of electrons, and superimposed photoconductive gain is generated in a phototransistor.)
技术领域
本发明涉及半导体光电探测器的技术领域，更具体地，涉及一种高增益光电探测器。
背景技术
光电探测器在光通信、成像、环境监控、辅助驾驶以及各种实验测试中都有着非常广泛的应用。对于光电探测器来说，响应度是非常重要的指标，有内部增益的高响应度半导体光电探测器可以在常温、低偏压下实现对微弱光信号的高灵敏度探测，同时可以省去附加的信号放大器，使得光电探测系统更加精简轻便，成本低廉。n-p-n型光电晶体管是一种常用的有内部增益的半导体光电探测器,其光电增益原理在于：基区悬空状态下，集电结中光吸收产生的空穴会在内建场和外加电场作用下漂移至基极产生累积，导致发射结势垒降低，引起发射极电子注入，从而产生有内部增益的光诱导电流。
在此基础上，另一种常用的改善结构是异质结光电晶体管，采用更宽禁带的发射极材料将发射结设计为异质结，从而起到阻挡空穴扩散，提高电子注入比和晶体管放大倍数的效果。
然而目前的光电晶体管和异质结光电晶体管仍有不足之处，例如对于微弱光信号，甚至单光子入射条件，光生空穴数量极为有限，很难对发射结势垒高度产生显著影响，因此会限制光电晶体管对于极微弱光的探测。而其他常见的探测器内部增益机理，也都有着各自的限制，例如：雪崩光电探测器要求材料缺陷密度很低以避免提前击穿，且需要较高的工作电压；光电导探测器暗电流较高，且一般有陷阱态参与的不可控的增益过程，会严重劣化探测器的响应速度，导致器件虽然能获得高响应度，但响应速度一般在毫秒甚至秒的量级，应用范围受到严重限制。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷(不足)，提供一种高增益光电探测器，具有获得低暗电流、更高响应度，且具备极微弱光探测能力，以及高速响应的效果。
本发明采取的技术方案是：
一种高增益光电探测器，包括从下到上依次设置的发射极、基极、吸收层和集电极，还包括周期性量子结构层，所述周期性量子结构层设置于发射极和集电极之间，或设置于基极的内部，或设置于发射极的内部；
所述周期性量子结构层包括多个周期的重复结构，且每个周期内含有半导体异质结构，从而形成多重价带带阶以及对应的空穴势阱和势垒。其中，相邻两种异质材料形成的半导体结即是异质结。
本技术方案中，发射极、基极、吸收层和集电极组成了光电晶体管的主要器件结构，通过在主要器件结构上增加周期性量子结构层，以提高电子注入比和器件放大倍数，并提供叠加的光电导增益，来获得更高的响应度。同时，由于此叠加光电导增益来源于周期性量子结构而非陷阱态，可以通过控制其结构参数来对空穴寿命进行调控，从而在实现高增益的同时保证器件的响应速度。具体地，周期性量子结构层利用周期性量子结构，形成一系列的价带空穴势垒来阻挡空穴从基极向发射极的扩散，且结构中没有导带电子势垒或电子势垒厚度允许有效质量更小的电子直接隧穿通过，因此可以不影响电子从发射极向基极扩散，从而可以提高光电晶体管的发射极电子注入比和提高晶体管放大倍数。另外，由于周期性量子结构包括多重价带带阶，对空穴的扩散阻碍效果将更优于单一价带带阶的异质结光电晶体管结构，即可以提供比异质结光电晶体管更高的电子注入比和放大倍数。
更进一步地，周期性量子结构在阻挡基极空穴向发射极扩散的同时，会将一部分光生空穴束缚在器件结构的空穴势阱里，势阱中空穴的寿命将受到热发射和隧穿等逃逸机制的影响，其逸出量子阱的几率取决于空穴势阱的深度和空穴势垒的厚度。通过选择不同的异质半导体材料可以调控空穴势阱的深度(价带带阶差异大小)，而空穴势垒的厚度可以直接由周期结构中各层的材料厚度控制。因此，改变这些结构参数即可对空穴寿命进行调控，使得空穴寿命超过电子渡越时间，获得叠加的光电导增益，进一步提高探测器的响应度。
而由于周期性量子结构中空穴寿命可以由结构参数调控，因此可以避免空穴寿命过长导致的响应速度降低，在实现高光电增益的同时获得高速响应。
其中，本发明的光电导增益机理为：通过周期量子结构，形成一系列的空穴势阱，获得空穴束缚效果，使得空穴寿命高于电子渡越需要的时间，这样光生电子渡越到电极被收集之后，由于空穴仍被束缚在量子结构中，从而使阴极继续发射电子维持电中性，如此循环多次后，光电晶体管收集到的光电子电流远高于第一次直接收集到的光电子电流，从而形成光电流增益的效果，其中，增益倍数为空穴寿命与电子渡越时间的比值。
进一步地，周期量子结构层可以介于发射极和集电极之间，也可以嵌入基极内部或发射极内部。
进一步地，可以通过周期结构中空穴势阱的深度(价带带阶大小，取决于所用材料)和各层的厚度来控制空穴寿命，从而实现对探测器响应速度的调控，在获得高增益的同时实现高速响应。
进一步地，所述周期性量子结构层中存在异质结构价带带阶形成的空穴势阱层和空穴势垒层。进一步地，空穴势阱的深度高于3kT；其中，k是玻尔兹曼常量，T是工作温度。势阱深度小于3kT时空穴很容易通过热发射逃逸出势阱层，导致周期性量子结构的空穴束缚作用失效。
量子结构中形成的空穴势阱通过异质结构的价带带阶得到，因此对空穴束缚作用强，但对电子可以没有势阱，或有电子势阱但通过调控厚度可以让电子通过隧穿逃逸出电子势阱，即使得电子有效质量比空穴小，更容易发生隧穿，因而对电子束缚作用很弱。
在另一个实施例中，周期性量子结构层中同时存在电子势阱层和电子势垒层，且电子从电子势阱层中逸出的几率高于空穴中空穴势阱层中逸出的几率，即电子势阱对电子的束缚作用比较弱，这样，电子渡越需要的时间仍然小于空穴寿命。因此，也能获得高增益的效果。
具体地，周期量子结构层中若存在电子势阱和电子势垒，则周期量子结构中电子势垒层厚度应不超过电子势阱层中电子的德布罗意波长；当周期量子结构的厚度短于电子波长的时候，电子可以隧穿通过，阻碍作用弱，这样整个周期性量子结构层对空穴的束缚作用将强于对电子的束缚，从而使得电子渡越需要的时间小于空穴寿命。
进一步地，所述周期性量子结构层的周期数≥3。周期数过少对空穴的束缚作用减弱，光电导增益将不显著，同时电子注入比和晶体管放大倍数也会有所降低。
在其中一个实施例中，所述周期性量子结构层为量子阱层。
在另一个实施例中，所述周期性量子结构层为超晶格层。
量子阱层或超晶格层形成一系列的价带带阶，起到空穴势阱的作用，使得空穴被束缚于势阱中，从而使空穴寿命t1延长，且超过电子渡越时间t2，以形成光电导增益的效果。具体地，光电导增益的大小为t1/t2。
进一步地，本技术方案的周期性量子结构还可以为其它可以形成空穴束缚效果的结构，例如只有空穴势阱但没有电子势阱的结构。
进一步地，所述周期性量子结构为AlGaN/GaN超晶格结构、AlGaN/GaN多量子阱结构、AlGaAs/GaAs超晶格结构、AlGaAs/GaAs多量子阱结构中的其中一种。
在其中一个实施例中，还包括上、下接触电极。
在其中一个实施例中，所述上接触电极与集电极、以及下接触电极与发射极之间，形成欧姆接触，或接触势垒的高度低于0.5eV，以避免降低器件的光电流。
进一步地，下接触电极和上接触电极为Ti/Al/Ni/Au或Au/AuGeNi合金。
在其中一个实施例中，所述发射极和集电极为n型导电半导体材料，电子浓度高于5×1016cm-3。
进一步地，发射极为n型AlGaN或n型AlGaAs或n型GaN。集电极为n型GaN或n型GaAs其中，发射极电子浓度过低会导致光电流降低。
在其中一个实施例中，所述基极为p型导电半导体材料，空穴浓度高于1×1016cm-3。
其中，基极区的空穴浓度过低也会导致基极区提早穿通，暗电流升高。
进一步地，基极为p型GaN层。
在其中一个实施例中，所述吸收层为本征或非故意掺杂半导体材料，空穴或电子浓度低于5×1017cm-3。
其中，吸收层的载流子浓度过高会导致耗尽层宽度减小，光生载流子收集效率降低，探测器响应度劣化。
进一步地，吸收层为非故意掺杂GaN或非故意掺杂GaAs。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本技术方案通过在器件结构上增加周期性量子结构层，使得光生电子空穴的输运/移动过程中，束缚空穴，从而使电极注入更多电子，以形成电流增益，获得高增益的效果。
本技术方案在不引入陷阱态、不劣化器件响应速度、且速度可控的基础上，实现了光电高增益的效果。
本发明通过增加周期性量子结构层，实现了阻挡空穴从基极向发射极扩散的同时，且不影响电子从发射极向基极扩散，从而提高光电晶体管的电子注入比，提高晶体管放大倍数。
本发明在光电晶体管的基础上引入叠加的速度可控的光电导增益，既可以弥补光电晶体管弱光响应的不足，又可以进一步提高整体增益；具有无需苛求材料晶体质量，即可在低偏压下实现高速和极高响应度光电探测的有益效果。
本发明通过引入周期性的量子结构来形成一系列的空穴势阱和势垒，以调控光生电子、空穴的输运，从而在光电晶体管的光诱导机制上叠加光电导增益。本发明的周期性量子结构一方面能够阻挡基极空穴向发射极扩散，提高发射结的电子注入比和晶体管的放大倍数，另一方面可以将有效质量更大的空穴束缚于多层量子结构中而降低复合损失，并使器件中空穴寿命超过电子的输运时间，从而在光电晶体管中产生叠加的光电导增益。此外，在本发明提供的器件结构中，可以通过周期结构的材料选择和厚度配比来控制空穴寿命，从而实现对探测器响应速度的调控，在获得高光电增益的同时实现高速响应。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中的周期型量子结构(AlGaN/GaN超晶格)的能带模拟结果，以及导带电子、价带空穴通过热发射(TE)和隧穿(T)逃逸势阱的过程示意图。
图3为本发明实施例4的结构示意图。
图4为本发明实施例6的结构示意图。
图5为本发明实施例1中光电探测器的光暗电流特性测试结果。
图6为本发明实施例1中光电探测器的响应速度测试结果。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，一种GaN基高增益光电探测器结构，主要包括从下到上依次设置的发射极层201、周期性量子结构层202、基极层203、吸收层207和集电极层204。
本实施例中，发射极层201的上表面两侧设有下接触电极205，吸收层205的上表面两侧设有上接触电极206。
其中，发射极层201的材料为n型AlGaN，Al组分为20％，电子浓度为2×1018cm-3，厚度为300nm，制备方法不限。具体地，发射极层的下方还设有衬底层和/或缓冲层。
周期性量子结构层202为AlGaN/GaN超晶格结构，其中Al组分为20％，周期数为20，每个周期中AlGaN层厚度为2nm，GaN厚度为4nm。
基极层203为p型GaN层，空穴浓度为1×1018cm-3，厚度为100nm，制备方法和掺杂方法不作限制。
集电极层204为n型GaN，电子浓度为5×1017cm-3，厚度为120nm。
下接触电极205和上接触电极206都为Ti/Al/Ni/Au，厚度为15/80/20/60nm。
吸收层207为非故意掺杂GaN，厚度为150nm。
如图2所示是本实施例中AlGaN/GaN超晶格层的能带模拟结果和导带电子/价带空穴通过热发射(TE)和隧穿(T)逃逸电子势阱/空穴势阱的过程示意图。
由于量子限制斯塔克效应(quantum confined stark effect，QCSE)的影响，电子和空穴在空间上将会分离，波函数交叠量减少，导致电子与空穴的复合率很低，所以辐射复合寿命和非辐射复合寿命会很大。此时载流子寿命τ会主要由逃逸机制决定，即：其中，载流子隧穿寿命可以根据量子力学中的WKB近似理论，写为载流子速率和隧穿几率(T(En))的关系式：
而热发射寿命(τTE)主要取决于有效势垒高度：
式中Lw代表量子阱的厚度，表示电子和空穴势垒电势能的较大值，En为AlGaN量子阱的子带能级高度，可写为：
采用模拟得到的能带形状带入上面三个公式进行计算，可以得到电子与空穴的逃逸寿命分别为1.4×10-11s和8.3×10-8s。通过计算结果可以发现本实施例的量子结构中电子的逃逸寿命远远短于空穴，即电子更容易逃逸出量子阱。进一步可以通过上述过程计算得到电子在周期结构中的等效迁移率和漂移速度，从而计算出电子的渡越时间。此结构中电子渡越时间计算结果大约为4.9×10-9s，因此产生的叠加光电导增益约为17倍。
由于此结构中空穴寿命计算结果约为80ns，因此器件在获得更高增益的同时，也能达到ns级别的高速响应。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：发射极层的材料为n型GaN，周期量子结构层为AlGaN(6nm)/GaN(3nm)的多量子阱，周期数为10。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：周期量子结构层的AlGaN/GaN超晶格层中，AlGaN的Al组分为15％，每个周期中AlGaN厚度为3nm，GaN厚度为4nm。
实施例4
如图3所示，一种GaN基高增益光电探测器结构，主要包括从下到上依次设置的发射极层301、基极一层3031、周期性量子结构层302、基极二层3032，吸收层307和集电极层304。发射极层301的上表面两侧设有下接触电极305，吸收层305的上表面两侧设有上接触电极306。
本实施例与实施例1不同之处在于：本实施例中，基极层被分为基极一层3031和基极二层3032，周期性量子结构层302的位置处于基极层之中，即处于基极一层3031和基极二层3032之间，如图3所示。
实施例5
本实施例与实施例1不同之处在于：周期量子结构层由15层AlGaN/GaN重复交叠组成，其中每个周期中GaN厚度为4nm，而AlGaN包括3种厚度：其中，以自上而下方向看，周期量子结构层的前5个周期中，每层AlGaN厚度为1.5nm，中间五个周期中，每层AlGaN厚度为2.5nm，最下方的五个周期中，每层AlGaN厚度为4nm。这样设置的周期性量子结构中，空穴势垒层为AlGaN层，越靠近基区的空穴势垒越薄，有利于更多空穴扩散进入到周期量子结构中，提高光电导增益效果；而越靠近发射极的空穴势垒越厚，有利于阻挡空穴扩散进入发射极，维持较高的电子注入比和晶体管放大倍数。
实施例6
如图4所示，本实施例展示了一种GaAs基高增益光电探测器，主要包括从下到上依次设置的发射极层401、周期性量子结构层402、基极层403，吸收层407和集电极层404。发射极层401的上表面两侧设有下接触电极405，吸收层405的上表面两侧设有上接触电极406。
发射极层401的材料为n型AlGaAs，Al组分为20％，电子浓度为2×1018cm-3，厚度为300nm。
周期量子结构层402为AlGaAs/GaAs超晶格结构，其中Al组分为20％，周期数为20，每个周期中AlGaN层厚度为4nm，GaN厚度为6nm。
基极403为p型GaN层，空穴浓度为1×1018cm-3，厚度为100nm。
集电极404为n型GaAs，电子浓度为5×1017cm-3，厚度为120nm。
下接触电极405和上接触电极406都为Au/AuGeNi合金。
吸收层407为非故意掺杂GaAs，厚度为200nm。
实施例7
本实施例对实施例1制备的光电探测器进行探测器特性表征。
如图5所示是实施例1所述光电探测器的光暗电流测试结果，在10V的低偏压下，探测器的光电流增益高达1.3×105。而不包含实施例1中AlGaN/GaN超晶格的光电探测器相同条件下增益为6.5×104，显然，通过引入周期性量子结构，器件的光电增益提高了大约20倍，这也与实施例1中的计算结果大致吻合。
如图6所示是实施例1中制备器件的响应速度测试结果，测得的探测器上升时间和下降时间分别为2.4ns和500ns，远远快于常见光电导探测器超过ms量级的响应速度。可见，本发明提供的方案，在提高器件响应度的同时还可获得很快的响应速度。
同理，本实施例对实施例2～6制备的光电探测器进行光暗电流测试和相应速度测试后，得到了与实施例1一样光电增益提高和高响应速度的效果。因此，本发明获得的光电探测器具有高光电增益和高响应速度的效果。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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