本專利涉及光電轉(zhuǎn)換器件領(lǐng)域，具體涉及一種電磁誘導(dǎo)勢阱半導(dǎo)體禁帶下室溫光電導(dǎo)探測器件。

背景技術(shù)：

由光信息到電信號的轉(zhuǎn)換是光電研究領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前各種廣泛應(yīng)用的商用半導(dǎo)體光電探測器展現(xiàn)出高信噪比、快響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)。他們已經(jīng)在光學(xué)通信、探測成像、天文、生物、醫(yī)學(xué)，以及非破壞性材料表征等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸引力。然而，傳統(tǒng)的光電探測存在著波長(光子能量)選擇性的問題：為了激發(fā)出載流子，所探測光子必須具備足夠能量以激發(fā)導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的躍遷、子帶之間的躍遷或者雜質(zhì)帶躍遷，并且，室溫環(huán)境中，由于熱噪聲能量的存在，使得在長波(低能)光子探測時(shí)，熱噪聲激發(fā)與光學(xué)激發(fā)形成競爭機(jī)制，從而探測效率顯著下降。目前，在中遠(yuǎn)紅外電磁波段，基于傳統(tǒng)光電導(dǎo)的光子探測需低溫(4.2K，77K)甚至是深低溫(100-300mK)制冷。并且人們普遍認(rèn)為，由遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體禁帶能量的光子直接激發(fā)的室溫光電導(dǎo)機(jī)制是不可能實(shí)現(xiàn)的。

本專利充分考慮到了實(shí)際光電轉(zhuǎn)換器件對于響應(yīng)時(shí)間，工作溫度，結(jié)構(gòu)難易，信噪比的要求，提出并設(shè)計(jì)了一種電磁誘導(dǎo)勢阱半導(dǎo)體禁帶下室溫光電導(dǎo)探測器件，具有響應(yīng)時(shí)間短，室溫工作，結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可現(xiàn)對于電磁信號的直接光電轉(zhuǎn)換，并且通過改變器件的結(jié)構(gòu)尺寸還可以改變探測器所工作的中心波長范圍。該器件基于電磁誘導(dǎo)勢阱半導(dǎo)體禁帶下室溫光電導(dǎo)機(jī)制，選用參數(shù)(載流子濃度、遷移率等)合理的半導(dǎo)體材料，進(jìn)行光刻、腐蝕、濺射等工藝制作，使用前置放大器進(jìn)行放大讀出，克服了傳統(tǒng)的基于帶間躍遷，子帶能級躍遷，以及雜質(zhì)帶激發(fā)產(chǎn)生光電導(dǎo)的限制，解決了室溫下遠(yuǎn)小于禁帶能量光子不能直接產(chǎn)生光電導(dǎo)這一難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對長波(低能)光子探測時(shí)，熱噪聲激發(fā)與光學(xué)激發(fā)形成競爭機(jī)制，從而使得器件轉(zhuǎn)換效率顯著下降，需低溫工作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信噪比低等問題，本專利提出一種電磁誘導(dǎo)勢阱半導(dǎo)體禁帶下室溫光電導(dǎo)探測器件，該器件便于大規(guī)模集成，使得線陣和面陣探測成為可能。

本專利采用的技術(shù)方案為：

一種電磁誘導(dǎo)勢阱半導(dǎo)體禁帶下室溫光電導(dǎo)探測器件結(jié)構(gòu)為在半導(dǎo)體襯底1上依次生長半導(dǎo)體外延層2、下鈍化保護(hù)層3、上鈍化保護(hù)層4，在半導(dǎo)體襯底1和上鈍化保護(hù)層4的表面以及半導(dǎo)體外延層2和下鈍化保護(hù)層3的側(cè)面分別生長呈左右對稱分布的扇形的正電極層5和扇形的負(fù)電極層6；其中：

所述的半導(dǎo)體襯底1的厚度為0.9-1.5mm，材料為碲鋅鎘或磷化銦；

所述的半導(dǎo)體外延層2的厚度為1-20μm，材料為碲鎘汞或銦鎵砷；

所述的下鈍化保護(hù)層3的厚度為50-150nm，材料為碲化鎘或氮化硅；

所述的上鈍化保護(hù)層4的厚度為150-250nm，材料為硫化鋅，該層當(dāng)下鈍化保護(hù)層3的材料為碲化鎘時(shí)才需要，當(dāng)下鈍化保護(hù)層(3)的材料為氮化硅時(shí)無需上鈍化保護(hù)層4。

所述的正電極層5和負(fù)電極層6為濺射鉻金合金層，厚度為300-400nm，電極間距為10-50μm，由鉻金正負(fù)電極層覆蓋在半導(dǎo)體外延層2形成的臺(tái)階的表面和邊緣，形成金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，并在接觸處形成歐姆接觸，其中大部分的電極層都生長在臺(tái)階兩側(cè)的表面上；正電極層5和負(fù)電極層6圍繞器件兩邊分別呈和形狀鏡像對稱分布；器件探測波長遠(yuǎn)大于該器件結(jié)構(gòu)中正電極層5，負(fù)電極層6和半導(dǎo)體外延層2所形成的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)的敏感元長度；所述的正電極層5和負(fù)電極層6的上端面形成左右對稱的扇形天線，具體尺寸為：扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為10-50μm，敏感元寬度大小w為20-100μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15 μm，圓弧張角θ由關(guān)系式tan(θ/2)＝w/2t來確定，扇形半徑R為0.1-1mm。

本專利具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、器件可在室溫環(huán)境下工作，通過適當(dāng)制冷還可提高器件的性能。

2、器件突破傳統(tǒng)光電導(dǎo)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)小于禁帶下的室溫光電導(dǎo)。

3、器件結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于大規(guī)模集成，發(fā)展多元探測器件。

4、器件靈敏度高，工作效率高。

附圖說明

附圖1為探測器原理示意簡圖。

附圖2為扇形對稱電極示意簡圖。

附圖中標(biāo)號為：1為半導(dǎo)體襯底層，2為半導(dǎo)體外延層，3為下鈍化保護(hù)層， 4為上鈍化保護(hù)層，5為正電極層，6為負(fù)電極層。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖1對本專利進(jìn)行進(jìn)一步詳述:

附圖1為本探測器結(jié)構(gòu)示意簡圖。電磁波信號被金屬-半導(dǎo)體-金屬亞波長結(jié)構(gòu)耦合之后，電磁波反對稱模式在半導(dǎo)體材料中誘導(dǎo)出勢阱，束縛住來自于金屬中的自由載流子，從而使得半導(dǎo)體材料中載流子濃度發(fā)生改變，引起半導(dǎo)體層的電阻值發(fā)生變化，通過金屬導(dǎo)線將信號與前放電路連接，將半導(dǎo)體層的電阻值變化轉(zhuǎn)化成電壓信號而進(jìn)行放大讀出，從而實(shí)現(xiàn)對電磁信號的探測。依照附圖1所示的結(jié)構(gòu)，制作了六種類型實(shí)施例探測器件。

實(shí)施例探測器1為厚度0.9mm的碲鋅鎘襯底上依次生長厚度為1μm的碲鎘汞外延本征層，厚度為50nm的碲化鎘下鈍化保護(hù)層，厚度為150nm的硫化鋅上鈍化保護(hù)層，厚度為300nm的鉻金正電極層和負(fù)電極層，電極間距為 10μm，正電極層和負(fù)電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d 的大小為10μm，敏感元寬度w為20μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為67°，扇形半徑R為0.1mm。

實(shí)施例探測器2為厚度1.2mm的碲鋅鎘襯底上依次生長厚度為10μm的碲鎘汞外延本征層，厚度為100nm的碲化鎘下鈍化保護(hù)層，厚度為200nm的硫化鋅上鈍化保護(hù)層，厚度為350nm的鉻金正電極層和負(fù)電極層，電極間距為30μm，正電極層和負(fù)電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距 d的大小為30μm，敏感元寬度w為60μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為127°，扇形半徑R為0.5mm。

實(shí)施例探測器3為厚度1.5mm的碲鋅鎘襯底上依次生長厚度為20μm的碲鎘汞外延本征層，厚度為150nm的碲化鎘下鈍化保護(hù)層，厚度為250nm的硫化鋅上鈍化保護(hù)層，厚度為400nm的鉻金正電極層和負(fù)電極層，電極間距為50μm，正電極層和負(fù)電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距 d的大小為50μm，敏感元寬度w為100μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為147°，扇形半徑R為1mm。

實(shí)施例探測器4為厚度0.9mm的磷化銦襯底上依次生長厚度為1μm的銦鎵砷外延本征層，厚度為50nm的氮化硅下鈍化保護(hù)層，厚度為300nm的鉻金正電極層和負(fù)電極層，電極間距為10μm，正電極層和負(fù)電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為10μm，敏感元寬度w為20μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為67°，扇形半徑R為0.1mm。

實(shí)施例探測器5為厚度1.2mm的磷化銦襯底上依次生長厚度為1.5μm的銦鎵砷外延本征層，厚度為100nm的下鈍化保護(hù)層，材料為氮化硅，不制作上鈍化保護(hù)層，厚度為350nm的鉻金正電極層和負(fù)電極層，電極間距為30μm，正電極層和負(fù)電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為30μm，敏感元寬度w為60μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為127°，扇形半徑R為0.5mm。

實(shí)施例探測器6為厚度1.5mm的磷化銦襯底上依次生長厚度為2.5μm的銦鎵砷外延本征層，厚度為150nm的氮化硅下鈍化保護(hù)層，厚度為400nm的鉻金正電極層和負(fù)電極層，電極間距為50μm，正電極層和負(fù)電極層為左右對稱的扇形天線，扇形天線圓弧對應(yīng)的兩個(gè)圓心分別位于敏感元左右兩邊的邊界線上，敏感元長度即左右扇形的間距d的大小為50μm，敏感元寬度w為100μm，扇形電極兩邊壓住臺(tái)面兩側(cè)表面的長度t的大小為15μm，圓弧張角θ為147°，扇形半徑R為1mm。