基于Ⅱ類超晶格的中波紅外帶間級聯探測器設計實現

基于InAs/GaSb Ⅱ類超晶格（T2SL），科研人員成功實現了短波、中波、長波和甚長波的紅外探測。但T2SL探測器通常要在低溫下工作，需要制冷，這大大增加了整機尺寸、功耗和成本。為了降低探測器的暗電流，不同勢壘能帶結構的T2SL探測器被提出，如采用單極勢壘、互補勢壘、M結構勢壘、雙異質結構的探測器，以及帶間級聯結構紅外探測器。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院半導體研究所半導體材料科學重點實驗室和中國科學院大學材料與光電研究中心的科研團隊在《光子學報》期刊上發表了以“基于Ⅱ類超晶格的中波紅外帶間級聯探測器（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為薛婷，通訊作者為黃建亮和馬文全。

基于帶間級聯結構在高溫工作的優勢，本文采用T2SL材料作為吸收區設計并制備了一個五級帶間級聯中波紅外光電探測器，相比于其他帶間級聯探測器，該器件在達到相似探測率水平下截止波長更長。且在77~220 K溫度范圍的暗電流曲線中觀察到了負微分電阻效應（NDR），對峰谷電流比隨溫度升高而降低的趨勢進行了解釋。

結構設計及生長

如圖1所示，帶間級聯探測器采用多級級聯結構，每級由吸收區、空穴勢壘區和電子勢壘區組成，吸收區多采用InAs/GaSb二類超晶格，空穴勢壘區一般采用InAs/AlSb多量子阱，電子勢壘區一般采用GaSb/AlSb多量子阱。吸收區位于空穴勢壘區和電子勢壘區之間，吸收光子能量產生電子，電子向電子勢壘區的運輸被高勢壘阻擋，但可以在光學聲子的輔助下弛豫到最低能級，再通過電子勢壘區共振隧穿到下一吸收區的價帶，完成帶間級聯輸運過程。

圖1 探測器的能帶結構示意圖

在帶間級聯結構中，空穴勢壘區的能級E?應與吸收區的電子基態能級E?接近，電子勢壘區的空穴能級HH??應與吸收區的重空穴能級HH?接近，相鄰能級之間的弛豫和隧穿需要光學聲子的輔助，所以空穴勢壘區和電子勢壘區的能級應設計為等差分布，相鄰能級之間的能量差應為一個縱向光聲子能量，約為30 meV。

基于以上原理，采用8 k·p模型對能帶結構進行計算并對探測器中的級聯結構能級進行設計，其中以InAs材料的價帶頂為能量零點。為了實現中波紅外探測，吸收區采用InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格結構，厚度為0.5 μm，對應的電子基態E?和重空穴基態HH?分別約為0.72 eV和0.43 eV。該探測器利用了從HH?到E?的躍遷，因此吸收區的有效帶隙為0.29 eV，對應的探測波長就是4.28 μm。為了光生載流子輸運，空穴勢壘區由AlSb（2.1 nm）/InAs（9.0 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（8.1 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（7.2 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（6.3 nm）/AlSb（2.5 nm）/InAs（5.4 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（4.5 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（3.6 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（2.9 nm）/AlSb（2.1 nm）組成，其對應的電子能級（E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8）的差約等于一個縱向光學聲子的能量。電子勢壘區由兩個空穴量子阱組成，具體排列是AlSb（2.1 nm）/GaSb（5.3 nm）/AlSb（2.1 nm）/GaSb（7.5 nm）/AlSb（2.1 nm），計算得到相鄰能級的能量差與縱向光學聲子能量有輕微偏差，但基本符合設計。

P型接觸層為0.5 μm厚的GaSb和100個周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（36 nm）超晶格，摻雜濃度為2×101? cm?3；級聯結構區由5個周期的電子勢壘區、吸收區和空穴勢壘區組成；N型接觸層由100個周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格和20 nm厚的InAs層組成，摻雜濃度為2×101? cm?3。外延片樣品采用分子束外延技術在n型GaSb（001）襯底上使用As源和Sb源生長，將生長的樣品進行標準化光刻和蝕刻制備成方形臺面結構。方形臺面的尺寸為300 μm×300 μm。P型和N型歐姆接觸電極都采用Ti/Au金屬。

實驗結果

暗電流測試

圖2是從77 K到300 K溫度范圍內的變偏壓器件暗電流密度曲線，當偏置電壓是?20 mV時，在77 K、160 K和300 K時，暗電流密度分別為1.91×10?? A/cm2、1.95×10?? A/cm2 和4.3×10?2 A/cm2。圖2中低溫特定正偏壓范圍內可以觀察到負微分電阻效應，并且呈現了與溫度相關的趨勢。根據暗電流密度的數據，可以計算得到零偏動態電阻與面積的乘積R?A。例如，在77 K、160 K和300 K時，R?A分別為2.68×10? Ω·cm2、1.02×103 Ω·cm2和0.44 Ω·cm2。

圖2 77 K到300 K的暗電流密度曲線

為了對暗電流機制進行分析，做出如圖3所示的溫度從77 K到300 K時的暗電流密度對1000/T（溫度）的依賴關系，即Arrhenius曲線。從Arrhenius圖可知，在180~300 K之間器件的激活能為279 meV。對于T2SL探測器來說，50%截止波長非常接近超晶格吸收區的有效帶隙，即電子基態能級和重空穴基態能級之間的差。而從圖4（a）可以得到在300 K時器件50%截止波長是4.88 μm，對應的有效帶隙是254 meV?？梢娂せ钅芊浅＝咏行兜闹?，這意味著在180到300 K溫度范圍內擴散暗電流占暗電流的主導地位。這是因為采用了帶間級聯結構，對于其他結構的T2SL探測器，在類似的溫度范圍內的暗電流通常以產生-復合暗電流為主。但在77 K到140 K左右的溫度范圍內，測量得到的激活能只有23 meV左右。該段的暗電流機制尚不清楚，其中一個猜測是測量得到的暗電流結果可能包括了暗電流和背景輻照導致的光電流。

圖3 暗電流密度在77 K到300 K之間的Arrhenius圖

圖4 當偏置電壓為0 V時，器件從77 K到300 K下的響應率和探測率D*

響應率與探測率光譜

實驗中采用Bruker Vertex 70傅里葉紅外光譜儀測試帶間級聯探測器的光譜，通過將黑體溫度設置在800 K校準得到光響應譜。圖4是77~300 K溫度范圍內零偏壓時的響應率和探測率譜。在77 K時，50%截止波長為4.02 μm，器件的探測波長非常接近我們的設計，峰值響應波長為3.79 μm，對應的峰值響應率為0.52 A/W，探測率D*為1.26×1012 cm·Hz1/2/W。在300 K時，器件的50%截止波長紅移到了4.88 μm，峰值響應波長紅移到了4.47 μm，對應的峰值響應率為0.20 A/W，探測率D*為1.28×10? cm·Hz1/2/W。

負微分電阻效應分析

前節中提到，77 K到220 K溫度范圍內的暗電流中可以觀察到負微分電阻效應（NDR）。在77 K時，當偏置電壓約為1.12~1.13 V時，表現出NDR效應；在100 K時，出現NDR效應的偏置電壓轉移到了1.05~1.08 V；到200 K時，NDR效應的電壓范圍變為0.72~0.75 V；而當溫度升到220 K時，峰值暗電流與谷值暗電流重合在0.66 V處。很明顯，出現NDR效應的偏壓隨溫度變化而變化，即器件中存在共振隧穿現象且隧穿條件隨溫度的變化而變化。

圖5呈現了NDR效應的峰值暗電流（Ip）、谷值暗電流（IV）和峰谷電流比（PVCR）隨溫度的變化曲線，PVCR是共振隧穿條件滿足程度的指標。在77 K時，Ip約為7.44×10?? A，IV為4.16×10?? A，PVCR計算得1.79。在160 K時，Ip約為7.45×10?? A，IV是5.69×10?? A，PVCR變成1.31。在220 K時，Ip幾乎等于IV，約為8.23×10?? A，此時PVCR變為1，觀察不到NDR效應。從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，Ip基本不變，IV變大，PVCR值降低。

圖5 77 K到220 K下的峰值暗電流（Ip）、谷值暗電流（Iv）以及峰谷電流比（PVCR）

在本實驗中，器件的隧穿機制共有兩種。一種是共振隧穿機制，另一種是通過電子勢壘區的隧穿機制。波谷處的暗電流IV主要是通過帶間級聯結構中勢壘的隧穿暗電流。當溫度升高時，N（E）和f（E）的乘積增大，而隧穿概率T（E，V）與能態成指數正比關系，即T（E，V）隨溫度升高指數升高，所以n（V）急速升高，因此谷點處的暗電流會隨著溫度的升高而增加。而在NDR峰值處的暗電流包含了兩種機制的暗電流，由兩種隧穿機制共同決定了暗電流的變化。根據負微分電阻效應的原理，此處共振隧穿電流達到最大，繼續升高偏壓則不再滿足共振隧穿條件，暗電流隨之減小。為了簡化模型，通常將共振隧穿電流的隧穿概率T（E，V）視為一個常數。溫度升高時，滿足共振隧穿條件時的N（E）和f（E）的乘積減小，n（V）減小，導致共振隧穿暗電流的減小。在暗電流的結果中可以觀察到IP基本不隨溫度變化，這可能是因為隨著溫度的升高共振隧穿暗電流的減小量與通過勢壘的暗電流的增大量基本相等。相應地，在較高的溫度下，基本不變的IP和升高的IV導致了PVCR的減小，最終使PVCR減小到1，不再觀察到負微分電阻效應。

結論

本文設計并制備了一種采用T2SL材料的帶間級聯結構的中波紅外光電探測器。在77 K時，50%截止波長是4.02 μm，0 V峰值探測率為1.26×1012 cm·Hz1/2/W。在300 K時，峰值探測率達到1.28×10? cm·Hz1/2/W，50%截止波長是4.88 μm，與其他采用帶間級聯結構制備的更短波長的探測器達到相同探測率水平。在180~300 K的溫度范圍內，器件的暗電流主要由擴散電流而不是產生復合電流主導。在77~220 K溫度范圍內的暗電流曲線中也觀察到負微分電阻（NDR）效應。結果表明，具有帶間級聯結構的T2SL探測器可以進行高溫工作，特別是在中波長范圍內。

這項研究獲得國家自然科學基金面上項目（No.61874103）的資助和支持。

審核編輯：劉清