帶間級聯紅外探測器的光電流輸運與量子效率研究

基于II類超晶格的帶間級聯探測器首次由俄亥俄州立大學的楊瑞青教授提出，并已成功應用于紅外光電探測中，其工作原理如圖1所示。當光照射在器件上，吸收區中的電子被激發到導帶中，隨后電子向左側移動通過共振弛豫穿過弛豫區，后又在聲子輔助下隧穿通過隧穿區。由于吸收區的兩側存在阻擋空穴的弛豫區和阻擋電子的隧穿區，因而光生載流子只能向弛豫區單方向移動，即使在沒有外加偏置電壓的條件下也能產生光電流，實現光伏效應。

圖1 （a）帶間級聯探測器工作原理圖；（b）能帶結構示意圖

帶間級聯紅外探測器可以利用多級吸收區級聯的方式實現高的工作溫度，但不同的吸收區厚度設計方式會使得器件中不同級數吸收區中出現光生載流子的不匹配現象，從而對器件量子效率造成影響。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所、上海科技大學和國科大杭州高等研究院的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“帶間級聯紅外探測器的光電流輸運與量子效率研究”為主題的文章。該文章第一作者為白雪莉，主要從事紅外光電探測器的研究工作；通訊作者為周易和陳建新。

本文對基于InAs/GaSb II類超晶格的帶間級聯探測器進行了變溫測試，并基于多級光電流的“平均效應”建立了工作在反向偏置電壓的量子效率計算模型，通過與實際測試的量子效率對比，發現在低溫條件下實驗數據和計算結果擬合一致性較好，驗證了多級帶間級聯探測器中基于內增益機制的光電流平均效應。但在高溫條件下實際的光電流低于“平均效應”的理論計算結果，這可能是由于高溫下少數載流子壽命變短，吸收區和在弛豫區界面處存在光生載流子的復合機制。

器件制備和測試

器件制備

本文對比了如表1所示的4組不同級數的帶間級聯探測器結構，分別為單級、三級、五級和十級。根據計算可知三級器件吸收區厚度分別為551 nm、722 nm 和1079 nm，五級器件的吸收區厚度為330 nm、380 nm、448 nm、530 nm以及673 nm。此外將M10器件設計為吸收區等厚度器件，每級吸收區厚度均為235 nm。

表1 器件參數

將上述材料制備為正入射與背入射器件。在正入射器件的制備過程中，通過電子束蒸發技術在器件的襯底背面沉積了金，以實現與背入射器件相同的光路，最后通過鍵壓利用金線將器件連接在變溫杜瓦上進行測試；制備背入射器件時，在完成濕法腐蝕后利用化學氣相沉積生長了厚度為400 nm的Si?N?鈍化層，再通過等離子體刻蝕形成電極孔后進行金屬電極沉積，隨后進行銦柱的生長，之后將銦柱與寶石片進行倒焊互連，最后從寶石片引出電極鍵壓連接在變溫杜瓦上進行測試。當器件工作在正照射條件下，光首先通過最厚的吸收區，然后逐級穿過厚度遞減的吸收區，而背入射器件則與正入射的情況相反。以三級帶間級聯探測器為例，如圖2所示（a）（b）分別為工作在正入射與背入射條件下的器件。

圖2 （a）正入射；（b）背入射三級帶間級聯探測器示意圖

利用傅立葉紅外光譜儀對上述帶間級聯探測器進行變溫變壓條件下的相對響應光譜測試，隨后測量變溫變壓條件下器件的黑體響應率，最后根據黑體響應率和相對響應得到變溫變壓條件下的電流響應率。

圖3（a）表示M1探測器在波長為4.1 μm，溫度范圍為200 K至280 K，器件兩端施加反向偏壓為0 mV至-1000 mV條件下，通過實際測試獲得的量子效率結果。從圖中可知，量子效率隨著反向偏壓的增加呈現出先增大后飽和的趨勢。當工作溫度低于200 K，外加反向偏壓達到200 mV時，量子效率開始趨于飽和。溫度為200 K時，擬合獲得InAs/GaSb II類超晶格材料的少子擴散長度為2.5 μm，大于器件吸收區厚度，同時結合前期對材料的掃描透射電子顯微鏡（STEM）和能帶結構研究，認為可能是由于弛豫區和吸收區之間的能帶未完全對準而造成量子效率在零偏下的不飽和，因而器件需要工作在一定反向偏壓下才能越過勢壘結構，實現光生載流子的有效收集。而當工作溫度高于200 K時，需要外加更高的反向偏壓才能使得量子效率趨于飽和。這是由于擴散長度隨著溫度的升高逐漸減小，當擴散長度小于吸收區厚度時，探測器需工作在一定的偏壓下，彌補擴散長度的不足，使得光生載流子在外加電場下得到有效收集。圖3（b）-（d）展示了在波長4.1 μm處，不同溫度下M3、M5及M10器件，外加偏置電壓為0 mV至-1000 mV時，利用實際測試數據計算后獲得的量子效率值。如圖所示，多級器件的量子效率隨外加偏置電壓的增加也呈現出先增大后飽和的趨勢。M3器件在外加偏壓達到500 mV后，量子效率趨于飽和；M5和M10器件則分別在外加偏壓達到600 mV和800 mV后，量子效率開始趨于飽和。這是由于多級帶間級聯探測器件為串聯結構，級數越多，則該探測器件所需的外加偏置電壓更大。

圖3 （a）M1、（b）M3、（c）M5、（d）M10探測器在不同偏壓和溫度下的量子效率

此外，從圖中可知，當同一器件工作在不同溫度下，其量子效率會在不同外加偏置電壓下達到飽和，隨著溫度的升高，該“飽和偏壓”先保持不變后逐漸升高。這說明多級器件與單級M1器件相似，當溫度較低時，“飽和偏壓”來源于結構中的能帶不完全對準，而溫度升高后，由于光生載流子的擴散長度不足，需要更大的外加偏置電壓來實現對光生載流子的有效收集。單級吸收區厚度越薄，溫度升高導致的擴散長度不足的影響越小，“飽和偏壓”的轉變發生在更高的工作溫度下。

帶間級聯探測器的量子效率仿真計算

基于上述對帶間級聯探測器量子效率的變溫變壓結果分析，可知實際器件需工作在一定的偏置電壓下，以消除弛豫區-吸收區之間能帶未完全對準的影響。而當器件工作在一定的外加偏置電壓下，空間電荷區變寬，吸收區中的載流子輸運將不再僅依賴中性區的擴散，為優化帶間級聯探測器的量子效率理論模型，我們考慮了空間電荷區對量子效率的貢獻。

空間電荷區的量子效率仿真計算

在外加偏壓的條件下，為計算每一級吸收區的空間電荷區寬度，首先需要計算每一級吸收區的分壓。圖4（a）表示溫度為80 K時，單級帶間級聯探測器件在不同外加偏置電壓下的電場仿真，從圖中可知外加偏置電壓大部分落在了弛豫—吸收區上。如圖4（b）所示，為該外加偏置電壓的電場分布示意圖。

圖4 （a）外加偏置電壓下的電場仿真圖，插圖為對應的電勢圖；（b）外加偏置電壓的電場分配示意圖

對外加偏置電壓下多級帶間級聯探測器件的每級分壓進行計算。以2級的帶間級聯探測器件為例，設外加偏置電壓為V，第一級和第二級分到的偏壓分別為Vd1和Vd2，如圖5所示。

圖5 兩級帶間級聯探測器的外加偏置電壓分布示意圖

實驗和仿真結果比較

單級帶間級聯探測器

圖6為M1探測器件在溫度為80 K至300 K，飽和偏壓-200 mV條件下的實驗和計算的量子效率。其中黑色實線為波長4.1 μm處實際測試獲得的量子效率，紅色實線為基于上述模型計算的量子效率結果，綜合考慮了外加偏置電壓后中性區和空間電荷區的共同作用，藍色虛線為僅考慮擴散作用的量子效率計算結果。如圖所示，考慮空間電荷區貢獻后的計算結果與實驗結果吻合度較高，驗證了前文推導的量子效率理論計算模型。

圖6 M1帶間級聯探測器件在不同溫度下的實驗和計算量子效率

多級帶間級聯探測器

圖7（a）（b）分別為正、背入射多級帶間級聯探測器在工作溫度為150 K至200 K，飽和偏壓條件下測試獲得的量子效率與仿真計算值的比較。正、背入射的M3、M5 和M10器件在低溫下（150 K至200 K），實際測得的飽和偏壓量子效率和理論計算結果基本一致，誤差在4%以內。這說明在低溫下多級帶間級聯探測器的器件光電流與各級吸收區的光電流的平均值結果接近，這驗證了前述的多級帶間級聯探測器的光電流平均效應。但在高工作溫度下多級帶間級聯探測器件的實驗數據和基于平均效應的理論計算結果存在較大差異。

圖7 （a）正入射；（b）背入射多級帶間級聯探測器件在低溫下的飽和測試和擬合量子效率

圖8（a）-（c）分別表示正、背入射的M3、M5以及M10帶間級聯探測器工作在飽和偏壓時高溫下（200 K至280 K）測得的量子效率和仿真計算結果，此時實驗數據低于理論計算，且隨著溫度升高，差異越大。這說明隨著工作溫度的升高，實際測得的量子效率數據低于基于各級吸收區的光電流平均值理論所計算的數據結果。這是由于在200 K至300 K溫度范圍內載流子壽命與溫度存在τ∝T-1/2的關系，隨著溫度的升高，探測器中的聲子數目急劇增加，光生載流子的產生復合率增大，壽命變短。帶間級聯結構中，光生載流子能夠被有效收集的一個主要原因是，吸收區中的少數載流子壽命比多量子阱弛豫區中的載流子壽命高2~3個數量級，因而可以快速在弛豫區中通過聲子輔助隧穿效應到達下一級的價帶，形成級聯輸運。當工作溫度升高，光生載流子壽命急劇下降，在吸收區和弛豫區界面處被復合的光生載流子數量增加，前級吸收區積累的光生少數載流子濃度降低，前后兩級吸收區中少子濃度差減少，導致了器件內部由于電流失配形成的內建電場強度降低，減少了后級吸收區中光電響應的增益，從而使得探測器的整體光電流低于平均效應的理論計算。

圖8 （a）M3、（b）M5、（c）M10的正、背入射帶間級聯在高溫下的飽和測試和擬合量子效率

對比圖8（a）（b）可知，M3和M5的正入射實驗數據和計算結果的差異大于其背入射實驗數據和計算結果差異。由于正入射器件的前級吸收區厚，會產生較多的光生載流子；后級吸收區薄且入射光的衰減受前級吸收區較厚的影響，產生的光生載流子較少，此時多級的正入射帶間級聯探測器件內部的光生載流子失配嚴重，為滿足電流連續性，相較于背入射器件，更依賴內部形成的內建電場實現光電流內增益。當工作溫度升高，探測器中光生載流子壽命減少，產生復合率增大，其界面處因光生載流子聚集所產生的內建電場強度降低，正入射器件各級吸收區的光生載流子失配程度更大，其量子效率受到的影響也更大。但M10的正入射和背入射的計算結果和實驗數據的差異接近，如圖8（c）所示，這是由于M10為吸收區等厚度器件，其正入射與背入射在每一級產生的光生載流子數目一致。因此，針對高工作溫度的級聯結構探測器，其光電流不再滿足基于內增益的平均效應，在設計中器件的每級吸收區厚度需要盡量考慮電流匹配型，盡量減少界面處聚集的光生載流子，實現量子效率的最大化。

結論

通過對帶間級聯探測器光電流響應的理論計算與仿真，對比正入射與背入射下的不同級數帶間級聯探測器件量子效率的實際測試數據，深入研究了多級級聯結構中各級吸收區光生載流子不匹配時電子增益對光響應的影響。研究發現帶間級聯探測器在低溫飽和偏壓工作下，正入射與背入射的實驗數據和計算結果擬合一致性較好，驗證了在電子增益的作用下帶間級聯探測器的光電流與各級吸收區的光電流平均值吻合；當工作溫度升高時，實際的光電流低于基于“平均效應”的理論計算結果，且光生載流子失配越大實際光電流越小。這可能時由于高溫下少數載流子壽命急劇下降，導致吸收區和弛豫區的界面處光生少數載流子大量復合，導致了量子效率的降低。

這項研究獲得國家自然科學基金（62222412、61904183）、國家重點研發計劃（2022YFB3606800）、中國科學院青年創新促進會（Y202057）和上海市科技啟明星計劃（21YF1455000）的資助和支持。

審核編輯：湯梓紅