GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器(QWIPs)是近二十年来迅速发展起来的一种新型的红外探测器,其能带结构可精确设计从而获得指定光谱响应,加之稳定的材料性质,成熟的大面积、高均匀外延材料制备技术和器件工艺,使其非常适宜制作大面积红外探测阵列和多色器件,是最具潜力的中、长波红外探测器件之一。作为红外系统的核心部件,红外探测器在军事侦察、制导与跟踪、夜视、预警,以及资源普查、天气预报、空间探测、工业控制、医疗等诸多关系到国民经济与军事技术发展领域有巨大的应用,很多国家特别是军事部门投入了大量人力、物力、财力进行红外器件与系统研究开发。
常规的GaAs/AlGaAs QWIPs器件结构采用N型的GaAs为势阱、本征型AlGaAs为势垒交替外延生长数十周期,得到多量子阱材料。通过改变势阱的宽度(GaAs材料的外延厚度)和势垒的高度(AlGaAs材料中Al的组份),控制量子阱中子能级的位置,从而调整器件的探测波长,同时还可以通过调整掺杂浓度、势垒厚度和量子阱数目,改善器件的暗电流特性。常规的QWIPs器件在工作时,量子阱中的电子受光激发从量子阱中跃迁出来并在电场下进行输运,形成光电流,此时量子阱中的空位必须会由流经该阱的注入—补偿电流进行补偿,才能实现稳态的光电导,且光电流大小与阱数无关。由于GaAs/ AlGaAs QWIPs结构利用子带间吸收实现红外探测,子带态密度较低,限制了器件的光电响应,使得器件的探测率不高。
针对常规GaAs/AlGaAs QWIPs上述不足,北京工业大学邓军教授等提出了一种与传统机构不同的隧道补偿—高场输运机制,能大大提高探测器的光电流和器件性能。新结构器件的基本单元由四部分组成: P+-AlGaAs区、N+-GaAs区、GaAs/AlGaAs superlattice区、i-AlGaAs区,其中由P+-AlGaAs 和N+-GaAs 组成的隧道PN 结,GaAs/AlGaAs superlattice区为光吸收区,i-AlGaAs 形成电流阻挡层。把这个基本单元串联起来可以形成一种新型的多级结构。下图为具有两个周期结构的新型器件在一定的偏置条件下的能带示意图。
图. 隧道补偿双周期器件偏置下能带示意图
新结构器件工作时处于反向偏置状态,由于很难向P 型半导体的导带中注入电子,因此在新结构中不存在传统多量子阱红外探测器导带中的注入—补偿电流;在没有光照的时候,超晶格中处于费米能级以下的基态能带基本被电子填满。由于没有对应的空状态,从P 型区价带通过隧穿到N 型区导带的电子流很小,器件维持在很低的暗电流(主要来自于阱区热激发)的水平。当超晶格区受到红外辐照时,会有大量的电子受激跃迁到高能态,在外电场的作用下电子被输运形成光电流,此时超晶格区中基态能带的大量空位会由P 区价带的电子,通过隧穿机制进行填充,从而保证连续的光电导。跃迁出超晶格的光电子在外电场的作用下,越过i-AlGaAs层,进入下一级由P+-AlGaAs 和N+-GaAs组成的PN结区,被PN结强大的内建势场加速,以高漂移速度越过下一个吸收区。当器件为多个周期结构时,光电子将穿过多个PN结内建大势场并得到加速,使大部分产生的光电子最终能被电极收集到,实现器件的光电流大小与超晶格吸收区的个数呈正比,实现大光电流。
新结构GaAs/AlGaAs QWIPs克服了传统的多量子阱红外探测器光电流小,暗电流大的缺点,提高了器件的性能,会很好地提升红外焦平面阵列器件乃至红外成像系统的性能,带动如消防、安全、资源普查、天气预报、空间探测、工业控制、医疗、通信等诸多关系到国民经济与军事技术领域的发展,从而推动首都国民经济的建设和发展,具有重大的理论与现实意义,具有很好的应用前景。
Improvement of tunnel compensated quantum well infrared detector
Chaohui Li, Jun Deng, Weiye Sun, Leilei He, Jianjun Li, Jun Han and Yanli Shi
J. Semicond. 2019, 40(12), 122902
doi: 10.1088/1674-4926/40/12/122902
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