帶間級聯(lián)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(lián)探測器首次由俄亥俄州立大學(xué)的楊瑞青教授提出，并已成功應(yīng)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(qū)中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，隨后電子向左側(cè)移動通過共振弛豫穿過弛豫區(qū)，后又在聲子輔助下隧穿通過隧穿區(qū)。由于吸收區(qū)的兩側(cè)存在阻擋空穴的弛豫區(qū)和阻擋電子的隧穿區(qū)，因而光生載流子只能向弛豫區(qū)單方向移動，即使在沒有外加偏置電壓的條件下也能產(chǎn)生光電流，實現(xiàn)光伏效應(yīng)。

圖1 （a）帶間級聯(lián)探測器工作原理圖；（b）能帶結(jié)構(gòu)示意圖

帶間級聯(lián)紅外探測器可以利用多級吸收區(qū)級聯(lián)的方式實現(xiàn)高的工作溫度，但不同的吸收區(qū)厚度設(shè)計方式會使得器件中不同級數(shù)吸收區(qū)中出現(xiàn)光生載流子的不匹配現(xiàn)象，從而對器件量子效率造成影響。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海科技大學(xué)和國科大杭州高等研究院的科研團隊在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“帶間級聯(lián)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(lián)探測器進行了變溫測試，并基于多級光電流的“平均效應(yīng)”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(fā)現(xiàn)在低溫條件下實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果擬合一致性較好，驗證了多級帶間級聯(lián)探測器中基于內(nèi)增益機制的光電流平均效應(yīng)。但在高溫條件下實際的光電流低于“平均效應(yīng)”的理論計算結(jié)果，這可能是由于高溫下少數(shù)載流子壽命變短，吸收區(qū)和在弛豫區(qū)界面處存在光生載流子的復(fù)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(shù)的帶間級聯(lián)探測器結(jié)構(gòu)，分別為單級、三級、五級和十級。根據(jù)計算可知三級器件吸收區(qū)厚度分別為551 nm、722 nm 和1079 nm，五級器件的吸收區(qū)厚度為330 nm、380 nm、448 nm、530 nm以及673 nm。此外將M10器件設(shè)計為吸收區(qū)等厚度器件，每級吸收區(qū)厚度均為235 nm。

表1 器件參數(shù)

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(fā)技術(shù)在器件的襯底背面沉積了金，以實現(xiàn)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(xué)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(qū)，然后逐級穿過厚度遞減的吸收區(qū)，而背入射器件則與正入射的情況相反。以三級帶間級聯(lián)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(lián)探測器示意圖

利用傅立葉紅外光譜儀對上述帶間級聯(lián)探測器進行變溫變壓條件下的相對響應(yīng)光譜測試，隨后測量變溫變壓條件下器件的黑體響應(yīng)率，最后根據(jù)黑體響應(yīng)率和相對響應(yīng)得到變溫變壓條件下的電流響應(yīng)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(jié)果。從圖中可知，量子效率隨著反向偏壓的增加呈現(xiàn)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(qū)厚度，同時結(jié)合前期對材料的掃描透射電子顯微鏡（STEM）和能帶結(jié)構(gòu)研究，認為可能是由于弛豫區(qū)和吸收區(qū)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(qū)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(lián)探測器件為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，級數(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)對光生載流子的有效收集。單級吸收區(qū)厚度越薄，溫度升高導(dǎo)致的擴散長度不足的影響越小，“飽和偏壓”的轉(zhuǎn)變發(fā)生在更高的工作溫度下。

帶間級聯(lián)探測器的量子效率仿真計算

基于上述對帶間級聯(lián)探測器量子效率的變溫變壓結(jié)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(qū)-吸收區(qū)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(qū)變寬，吸收區(qū)中的載流子輸運將不再僅依賴中性區(qū)的擴散，為優(yōu)化帶間級聯(lián)探測器的量子效率理論模型，我們考慮了空間電荷區(qū)對量子效率的貢獻。

空間電荷區(qū)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(qū)的空間電荷區(qū)寬度，首先需要計算每一級吸收區(qū)的分壓。圖4（a）表示溫度為80 K時，單級帶間級聯(lián)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(qū)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(yīng)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(lián)探測器件的每級分壓進行計算。以2級的帶間級聯(lián)探測器件為例，設(shè)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(lián)探測器的外加偏置電壓分布示意圖

實驗和仿真結(jié)果比較

單級帶間級聯(lián)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(jié)果，綜合考慮了外加偏置電壓后中性區(qū)和空間電荷區(qū)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(jié)果。如圖所示，考慮空間電荷區(qū)貢獻后的計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合度較高，驗證了前文推導(dǎo)的量子效率理論計算模型。

圖6 M1帶間級聯(lián)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(lián)探測器

圖7（a）（b）分別為正、背入射多級帶間級聯(lián)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(jié)果基本一致，誤差在4%以內(nèi)。這說明在低溫下多級帶間級聯(lián)探測器的器件光電流與各級吸收區(qū)的光電流的平均值結(jié)果接近，這驗證了前述的多級帶間級聯(lián)探測器的光電流平均效應(yīng)。但在高工作溫度下多級帶間級聯(lián)探測器件的實驗數(shù)據(jù)和基于平均效應(yīng)的理論計算結(jié)果存在較大差異。

圖7 （a）正入射；（b）背入射多級帶間級聯(lián)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(lián)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(jié)果，此時實驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)低于基于各級吸收區(qū)的光電流平均值理論所計算的數(shù)據(jù)結(jié)果。這是由于在200 K至300 K溫度范圍內(nèi)載流子壽命與溫度存在τ∝T-1/2的關(guān)系，隨著溫度的升高，探測器中的聲子數(shù)目急劇增加，光生載流子的產(chǎn)生復(fù)合率增大，壽命變短。帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，光生載流子能夠被有效收集的一個主要原因是，吸收區(qū)中的少數(shù)載流子壽命比多量子阱弛豫區(qū)中的載流子壽命高2~3個數(shù)量級，因而可以快速在弛豫區(qū)中通過聲子輔助隧穿效應(yīng)到達下一級的價帶，形成級聯(lián)輸運。當工作溫度升高，光生載流子壽命急劇下降，在吸收區(qū)和弛豫區(qū)界面處被復(fù)合的光生載流子數(shù)量增加，前級吸收區(qū)積累的光生少數(shù)載流子濃度降低，前后兩級吸收區(qū)中少子濃度差減少，導(dǎo)致了器件內(nèi)部由于電流失配形成的內(nèi)建電場強度降低，減少了后級吸收區(qū)中光電響應(yīng)的增益，從而使得探測器的整體光電流低于平均效應(yīng)的理論計算。

圖8 （a）M3、（b）M5、（c）M10的正、背入射帶間級聯(lián)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(shù)據(jù)和計算結(jié)果的差異大于其背入射實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果差異。由于正入射器件的前級吸收區(qū)厚，會產(chǎn)生較多的光生載流子；后級吸收區(qū)薄且入射光的衰減受前級吸收區(qū)較厚的影響，產(chǎn)生的光生載流子較少，此時多級的正入射帶間級聯(lián)探測器件內(nèi)部的光生載流子失配嚴重，為滿足電流連續(xù)性，相較于背入射器件，更依賴內(nèi)部形成的內(nèi)建電場實現(xiàn)光電流內(nèi)增益。當工作溫度升高，探測器中光生載流子壽命減少，產(chǎn)生復(fù)合率增大，其界面處因光生載流子聚集所產(chǎn)生的內(nèi)建電場強度降低，正入射器件各級吸收區(qū)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(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的差異接近，如圖8（c）所示，這是由于M10為吸收區(qū)等厚度器件，其正入射與背入射在每一級產(chǎn)生的光生載流子數(shù)目一致。因此，針對高工作溫度的級聯(lián)結(jié)構(gòu)探測器，其光電流不再滿足基于內(nèi)增益的平均效應(yīng)，在設(shè)計中器件的每級吸收區(qū)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(xiàn)量子效率的最大化。

結(jié)論

通過對帶間級聯(lián)探測器光電流響應(yīng)的理論計算與仿真，對比正入射與背入射下的不同級數(shù)帶間級聯(lián)探測器件量子效率的實際測試數(shù)據(jù)，深入研究了多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)中各級吸收區(qū)光生載流子不匹配時電子增益對光響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)帶間級聯(lián)探測器在低溫飽和偏壓工作下，正入射與背入射的實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果擬合一致性較好，驗證了在電子增益的作用下帶間級聯(lián)探測器的光電流與各級吸收區(qū)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(yīng)”的理論計算結(jié)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(shù)載流子壽命急劇下降，導(dǎo)致吸收區(qū)和弛豫區(qū)的界面處光生少數(shù)載流子大量復(fù)合，導(dǎo)致了量子效率的降低。

這項研究獲得國家自然科學(xué)基金（62222412、61904183）、國家重點研發(fā)計劃（2022YFB3606800）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)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