量子阱紅外探測器基于子帶躍遷的工作原理，探測器吸收紅外輻射后激發(fā)量子阱中的電子，使其從基態(tài)躍遷到連續(xù)態(tài)中，從而實(shí)現(xiàn)紅外探測。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海理工大學(xué)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“非均勻GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器材料表征和器件性能研究”為主題的文章。該文章第一作者為蘇家平，通訊作者為陳平平和陳澤中。
本工作是面向焦平面（FPA）非均勻GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器，為相關(guān)的10 μm - 11 μm長波焦平面量子阱紅外探測器提供基礎(chǔ)。非均勻量子阱主要特點(diǎn)是在量子阱中引入非均勻勢壘寬度和摻雜濃度，從而改變能帶結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場分布，這也為新型光電子器件和半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)提供了新思路。
本文樣品利用法國Riber公司Compact-21型分子束外延（MBE）系統(tǒng)，在3 inch（1,0,0）半絕緣GaAs襯底上生長GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)。該MBE系統(tǒng)配備有單控溫區(qū)Al束源爐，雙控溫區(qū)Ga束源爐，以及閥控As裂解爐作為As束源爐，且所有源爐均采用固態(tài)源。
隨著生長的進(jìn)行，勢壘寬度線性變化從75 nm減小到15 nm，而阱中的摻雜濃度從1.0×101? cm?3升高到1.0×101? cm?3，阱中摻雜濃度和勢壘寬度的分布如圖1所示。量子阱的大部分摻雜濃度變化發(fā)生在后五個(gè)阱，從3.0×101? cm?3升高到1.0×101? cm?3。
圖1 非均勻量子阱的摻雜濃度和勢壘寬度分布
樣品生長結(jié)束后，通過Talos F200X型高分辨透射電鏡（HRTEM）表征非均勻量子阱周期的生長情況，確保樣品生長與設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致；利用Cameca 7f型二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）測試樣品的非均勻量子阱周期勢阱的摻雜濃度。本文采用標(biāo)準(zhǔn)工藝制備了測試器件，具體步驟如下：首先，通過光刻和濕法腐蝕，獲得了200×200 μm2臺面；然后，上下電極層采用電子束蒸發(fā)的方法生長100/20/400 nm的AuGe/Ni/Au金屬層，并在適當(dāng)退火條件下形成歐姆接觸。最后，將樣品磨成45°斜面耦合入射光，并用低溫膠將其固定在無氧銅熱沉上。為了測試器件的光電性能，將其安裝在低溫杜瓦制冷設(shè)備中，并測量其黑體響應(yīng)、暗電流和光電流譜等參數(shù)。
本文通過高分辨透射電鏡（HRTEM）對非均勻量子阱外延材料進(jìn)行了表征，研究其外延層和界面特性。非均勻量子阱外延材料的晶體質(zhì)量、材料的均勻性與生長參數(shù)之間的偏差是影響探測器性能的重要因素。高分辨透射電鏡作為一種重要的表征工具，可以提供分子束外延材料中納米尺度結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，例如界面形貌、晶體缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷等。通過對材料的界面形貌和晶格缺陷的觀察，可以進(jìn)一步指導(dǎo)量子阱紅外探測器材料的優(yōu)化和性能的提升。為此，選擇了典型的樣品A進(jìn)行高分辨透射電鏡表征。圖2展示了樣品A的HRTEM圖像。
圖2 樣品A的高分辨透射電子顯微鏡圖像
此外，在使用HRTEM表征微觀結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)合能譜儀（EDS）對非均勻量子阱結(jié)構(gòu)中心區(qū)域進(jìn)行了元素組成和含量分析。如圖3所示，左一圖像為高角度環(huán)形暗場圖像（HAADF），從圖中可以觀察到，樣品A與樣品B均擁有很陡峭的界面，量子阱的勢阱層GaAs（白色層）與勢壘層AlGaAs（灰色層）層次分明，沒有偏析現(xiàn)象出現(xiàn)。圖3中心圖像展示了Al元素的分布，可以觀察到其在較寬的勢壘層中均勻的分布，而在較窄的勢阱層則是黑色的，沒有Al元素的出現(xiàn)，且勢阱層與勢壘層的的界面非常清晰，沒有偏析現(xiàn)象，從這從另一角度也表明了GaAs/AlGaAs擁有很好的界面質(zhì)量。綜上所述，通過高分辨透射電鏡與能譜儀分析，均顯示了非均勻量子阱外延微觀結(jié)構(gòu)均很好的外延質(zhì)量和界面質(zhì)量。
圖3 樣品A的能譜儀圖像
為了進(jìn)一步獲得外延材料中各層的組分信息，并研究非均勻量子阱的另一特性（即非均勻摻雜），采用了二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）對樣品A的GaAs勢阱層中Si摻雜過程進(jìn)行了深入分析，比較勢阱的實(shí)際摻雜濃度與設(shè)計(jì)值之間的偏差。圖4為樣品A的SIMS測試數(shù)據(jù)，其直觀地反映了非均勻量子阱材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即沿著外延生長方向，量子阱的勢壘寬度逐漸變窄，而勢阱的摻雜濃度依次升高。
圖4 樣品A的二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）測試結(jié)果
光電性能研究
NUQWIP與常規(guī)QWIP的光電性能
非均勻量子阱是一種在外延生長方向上具有連續(xù)變化勢壘寬度和勢阱摻雜濃度的量子阱結(jié)構(gòu)，以此改變量子阱的電場分布，從而影響量子阱探測器的性能。暗電流是指在沒有光照時(shí)，由于熱激發(fā)或隧穿效應(yīng)而產(chǎn)生的電流，它是影響光電探測器噪聲、探測率等參數(shù)的重要因素。因此，分析非均勻量子阱的暗電流特性對于優(yōu)化光電探測器設(shè)計(jì)和提高其性能具有重要參考意義。圖5比較了非均勻結(jié)構(gòu)（樣品C）和常規(guī)結(jié)構(gòu)（樣品D）量子阱在50 K-70 K溫度區(qū)間內(nèi)暗電流隨偏壓變化的特性曲線。
圖5 在不同溫度下暗電流隨偏壓的依賴關(guān)系，實(shí)線為非均勻量子阱，虛線為常規(guī)量子阱
圖6為量子阱探測器的響應(yīng)光譜（PC譜），可以觀察到非均勻QWIP的PC譜半高寬比常規(guī)QWIP的半峰寬明顯減少，Δλ/λ從16%下降至8%，這是由于第一激發(fā)態(tài)逐漸從勢阱口外向勢阱口內(nèi)移動，從側(cè)面可印證躍遷模式發(fā)生了變化。此外，圖7比較了非均勻結(jié)構(gòu)（樣品C）和常規(guī)結(jié)構(gòu)（樣品D）QWIP在50 K和60 K溫度下，黑體響應(yīng)率隨偏壓變化的曲線。
圖6 非均勻量子阱與常規(guī)量子阱在50 K溫度下的光電流響應(yīng)譜
圖7 非均勻量子阱和常規(guī)量子阱在不同溫度下黑體響應(yīng)率隨偏壓的變化關(guān)系
不同阱寬NUQWIP的光電性能
為了研究勢阱寬度改變對非均勻量子阱電學(xué)性能的影響，生長了樣品A、樣品B和樣品C，除了阱寬不相同外（樣品A、B、C阱寬分別為6.1、6.3、6.5 nm），其他參數(shù)均保持一致。圖8顯示了樣品A、樣品B和樣品C在50 K下的光電流譜。
圖8 樣品A、樣品B和樣品C在50 K下的光電流響應(yīng)譜
圖9展示了不同勢阱寬度下的非均勻量子阱的暗電流隨偏壓的變化的關(guān)系圖。從圖中可以明顯觀察到，暗電流隨著器件偏壓的增加而快速增大，這是由于偏壓增大導(dǎo)致量子阱的能帶傾斜，從而增加了電子的碰撞電離能，進(jìn)而增加了暗電流。如圖10所示，顯示了不同阱寬下非均勻量子阱紅外探測器在不同溫度下，黑體響應(yīng)率隨偏壓變化的曲線。
圖9 樣品A、樣品B和樣品C在不同溫度下暗電流隨偏壓的依賴關(guān)系
圖10 樣品A、樣品B和樣品C在不同溫度下黑體響應(yīng)率隨偏壓的變化關(guān)系
此外，非均勻量子阱結(jié)構(gòu)和常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)的黑體響應(yīng)率在溫度依賴性方面表現(xiàn)出部分差異。對于傳統(tǒng)量子阱結(jié)構(gòu)，在不同溫度下，響應(yīng)率基本保持恒定。溫度與響應(yīng)率存在依賴性的現(xiàn)象，此前僅在具有單個(gè)量子阱周期的QWIP中發(fā)現(xiàn)。如圖10所示，對于非均勻量子阱結(jié)構(gòu)，在負(fù)偏壓下，響應(yīng)率與溫度依賴性較弱；但在正偏壓下（高于1.5 V），響應(yīng)率隨著溫度升高而增大。這是由于非均勻量子阱中每個(gè)量子阱的注入電流受到溫度影響。從量子阱內(nèi)部電場分布來解釋，由于低摻雜阱的注入電流較低，電場分布在低溫下分為兩部分，分別為一個(gè)均勻的高場區(qū)以及一個(gè)較長的幾乎為零的低場區(qū)。由于該區(qū)域的低量子效率和高捕獲概率，因此響應(yīng)率較低。隨著溫度的升高，這個(gè)低場區(qū)域減小，響應(yīng)率逐漸增加。
本文利用分子束外延（MBE）技術(shù)成功生長了非均勻GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器材料，通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）結(jié)合能譜儀（EDS）對非均勻外延微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征分析，并利用二次離子質(zhì)譜儀（SIMS）對非均勻勢阱摻雜進(jìn)行了表征。對非均勻GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器和常規(guī)量子阱紅外探測器性能做了研究比較，并分析了不同勢阱寬度對非均勻量子阱紅外探測器性能的影響。結(jié)果表明，使用MBE系統(tǒng)成功生長了高質(zhì)量的非均勻量子阱外延材料，通過改變每個(gè)阱的摻雜濃度和勢壘寬度，可以改變電場分布，使暗電流下降一個(gè)數(shù)量級。在不同阱寬下，可以改變非均勻量子阱的躍遷模式，束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)躍遷模式下（B-QB）器件擁有更強(qiáng)的黑體響應(yīng)率以及較低的暗電流。這些工作有助于實(shí)現(xiàn)焦平面量子阱紅外探測器的性能提升，也為研制非均勻量子阱紅外探測器應(yīng)用于長波紅外成像領(lǐng)域打下了基礎(chǔ)。
DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2024.01.002
