nBn結(jié)構(gòu)InAs/GaSb超晶格中/長雙波段探測器優(yōu)化設(shè)計(jì)描述

雙波段紅外探測可對(duì)復(fù)雜的紅外背景進(jìn)行抑制，在軍用目標(biāo)識(shí)別、醫(yī)療診斷和污染監(jiān)測等方面有重要應(yīng)用價(jià)值?；诙惓Ц竦碾p波段紅外探測器在成本和性能方面具有很大的優(yōu)勢，成為新型紅外探測器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而其暗電流和串?dāng)_會(huì)極大地影響雙波段紅外探測器的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京信息科技大學(xué)和華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“nBn結(jié)構(gòu)InAs/GaSb超晶格中/長雙波段探測器優(yōu)化設(shè)計(jì)”為主題的文章。該文章第一作者為劉文婧，通訊作者為祝連慶和張東亮。

本文設(shè)計(jì)了nBn結(jié)構(gòu)的InAs/GaSb超晶格中/長波雙波段紅外探測器，通過仿真比較不同結(jié)構(gòu)的器件在不同偏壓下的中波/長波通道的響應(yīng)率和暗電流大小，分析勢壘層厚度、吸收層厚度、不同區(qū)域的摻雜對(duì)暗電流和串?dāng)_的影響，從而得到最佳的模型參數(shù)達(dá)到減小暗電流和降低串?dāng)_的效果。

器件建模描述

仿真物理模型

InAs/GaSb超晶格探測器的暗電流受溫度的影響較大，高溫下擴(kuò)散電流為主要的暗電流機(jī)制，低溫下以產(chǎn)生復(fù)合（GR）電流為主導(dǎo)機(jī)制。其中，漂移擴(kuò)散電流模型是基于玻爾茲曼傳輸理論的推導(dǎo)與近似。SRH復(fù)合電流是由缺陷引起的產(chǎn)生復(fù)合中心能級(jí)，產(chǎn)生復(fù)合中心會(huì)向?qū)Ш蛢r(jià)帶發(fā)射電子與空穴，同時(shí)導(dǎo)帶上的電子和價(jià)帶上的空穴會(huì)在產(chǎn)生復(fù)合中心復(fù)合，這引起的電流為SRH暗電流。陷阱輔助隧穿電流（TAT）是電子在陷阱的輔助下發(fā)射至導(dǎo)帶，在上述等式中引入一個(gè)場效應(yīng)因子Γ來反應(yīng)聲子輔助隧穿等對(duì)載流子壽命的影響。

SILVACO器件仿真的運(yùn)算模型是基于泊松方程，載流子連續(xù)性方程，輸運(yùn)方程。通過調(diào)用不同的模型來描述擴(kuò)散電流、GR電流、隧穿電流、光生電流，其中探測器總體的暗電流會(huì)隨著溫度的升高而逐漸變大，但不同溫度下的暗電流主導(dǎo)機(jī)制不同。仿真過程中將超晶格材料等效為一層體材料進(jìn)行能帶參數(shù)的定義，如表1和表2所示，這些參數(shù)一方面來源于文獻(xiàn)調(diào)研，另一方面使用加權(quán)平均或由能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算而來，因此這些參數(shù)大多是估算結(jié)果。按照如圖1所示的仿真框架進(jìn)行文中的優(yōu)化仿真，后續(xù)將會(huì)通過材料和探測器的各項(xiàng)測試結(jié)果進(jìn)而反饋分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化仿真結(jié)果。

表1 15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格材料參數(shù)等效定義

表2 8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格材料參數(shù)等效定義

圖1 仿真流程框架圖

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，首先使用k.p方法對(duì)InAs/GaSb能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，得到如圖2（a）和圖2（b）所示，77 K下，15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格的帶隙為0.123 eV，對(duì)應(yīng)的截止波長為10.058 μm；8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格的帶隙為0.258 eV，對(duì)應(yīng)的截止波長為4.815 μm。因此選用這兩種超晶格分別作為雙波段探測結(jié)構(gòu)中的長波吸收區(qū)和中波吸收區(qū)。文中設(shè)計(jì)的中/長波雙波段niBin探測器結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示：從下至上依次是下接觸層-長波吸收層-公共勢壘層-中波吸收層-上接觸層。

外延工藝順序簡要介紹如下：首先，在GaSb襯底層上生長一層GaSb緩沖層用來改善界面粗糙度，實(shí)現(xiàn)原子臺(tái)階；接著在緩沖層上生長100 nm厚的15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格，并進(jìn)行1×101? cm?3的Si摻雜，以此作為長波通道的下接觸層，在下接觸層上生長15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格長波通道吸收層；然后，在長波吸收層上生長AlGaSb勢壘層，這是長波通道和中波通道公共的勢壘層，阻擋多數(shù)載流子（電子）的流通而允許少數(shù)載流子（空穴）的流通，勢壘層的加入可以極大程度地減少SRH復(fù)合暗電流且抑制串?dāng)_；接著，在公共勢壘層上方生長8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格中波通道吸收層，在中波吸收層上方再生長100 nm的8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格并進(jìn)行1×101? cm?3的Si摻雜，以此作為中波通道的上接觸層；最后，分別在GaSb緩沖層上和中波通道的上接觸層8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格上蒸鍍150 nm的Ti/Pt/Au層用來作為下電極和上電極層。器件尺寸定義為20 μm×20 μm。

圖2 (a) 15 MLs InAs/8 MLs GaSb長波超晶格的能帶圖；(b) 8 MLs InAs/6 MLs GaSb中波超晶格的能帶圖；(c)中/長波雙波段紅外探測器結(jié)構(gòu)

文中通過分析不同結(jié)構(gòu)和偏壓下的J-V曲線，分析勢壘層、摻雜、吸收層厚度、溫度對(duì)暗電流、光響應(yīng)的影響，來從理論設(shè)計(jì)方面盡量減小器件的暗電流和提升量子效率。

仿真優(yōu)化分析

探測器暗電流主要包括擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、直接隧穿電流、陷阱輔助隧穿電流和表面漏電流。不同的暗電流機(jī)制有不同的影響因素，暗電流的四個(gè)主要組成機(jī)制都與探測器的工作環(huán)境溫度有關(guān)，溫度對(duì)暗電流信號(hào)的影響起主要作用，探測器的暗電流會(huì)隨著溫度的降低而降低，所以抑制暗電流有效的措施是保持器件在穩(wěn)定的低溫環(huán)境中。通過能帶設(shè)計(jì)與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鈍化工藝等降低暗電流以提高工作溫度是器件優(yōu)化的重要方向。其中擴(kuò)散電流與帶隙的大小有關(guān)，高溫下的暗電流主要以擴(kuò)散電流為主。GR電流主要是SRH復(fù)合電流，可通過降低缺陷復(fù)合中心和提高吸收區(qū)的摻雜來抑制。但當(dāng)摻雜濃度過大時(shí)，電場也會(huì)變大，這會(huì)在一定程度上增加隧穿電流。同時(shí)材料質(zhì)量和工藝也會(huì)影響暗電流。通常低溫下的表面漏電流較為顯著，需要通過鈍化工藝來減少此暗電流。

勢壘層組分對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響

使用SILVACO軟件對(duì)上述器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，并設(shè)置電子有效質(zhì)量、電子親和勢、電子遷移率等參數(shù)。其中，將15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格吸收層厚度定為4 μm，摻雜為1×101? cm?3，8 MLs InAs/6 MLs GaSb吸收層厚度為2 μm，摻雜為1×101? cm?3。AlxGa1?xSb的插入是為了在導(dǎo)帶處形成了電子勢壘，阻擋多子電子流通，同時(shí)價(jià)帶幾乎平齊，能夠允許少子空穴的流動(dòng)，這樣的能帶結(jié)構(gòu)可以提高光生載流子的收集效率，降低暗電流。通過調(diào)節(jié)AlxGa1?xSb的組分，x為Al的組分，分別取0.15、0.19、0.2、0.21、0.25、0.3，得到如圖3（a）所示的77 K下的能帶圖，圖中顯示x小于0.2時(shí)，AlGaSb的價(jià)帶能量較高，與8 MLs InAs/6 MLs GaSb和15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格吸收區(qū)形成較為明顯的價(jià)帶帶階；x大于0.2時(shí)，AlGaSb的價(jià)帶能量較低，同樣會(huì)與8 MLs InAs/6 MLs GaSb和15 MLs InAs/8 MLs GaSb形成較為明顯的價(jià)帶帶階；因此，取x為0.2，即勢壘層為Al0.2Ga0.8Sb，得到如圖3（b）所示的器件整體的能帶圖。

圖3 (a)不同Al組分的AlxGa1?xSb的能帶圖；(b)器件整體的能帶圖

勢壘層厚度對(duì)暗電流和光響應(yīng)的影響

將15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格吸收層厚度設(shè)為4 μm，摻雜為1×101? cm?3，8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格吸收層厚度為2 μm，摻雜為1×101? cm?3，勢壘層為Al0.2Ga0.8Sb。在此基礎(chǔ)上分析勢壘層厚度對(duì)暗電流的影響。厚度取10~1000 nm，由圖4（a）和圖4（b）所示，正偏下，隨著勢壘層厚度增加，中波通道暗電流逐漸減小，光電流逐漸增加，但增大的并不明顯。反偏下，長波通道暗電流同樣會(huì)隨著勢壘層厚度的增大而減小，光電流也隨著勢壘層厚度的增加而逐漸增加，但同時(shí)串?dāng)_也略有增大。77 K下的暗電流主導(dǎo)機(jī)制是SRH電流和隧穿暗電流。同樣電壓下，勢壘層厚度增加會(huì)降低電場強(qiáng)度，進(jìn)而減小SRH暗電流，勢壘層厚度增大也會(huì)直接降低隧穿概率，進(jìn)而降低隧穿暗電流，所以總的暗電流會(huì)減小。光電流隨著勢壘層厚度的增加而增加，這是因?yàn)榻档土宋諈^(qū)的電場強(qiáng)度進(jìn)而在一定程度上減小了光生載流子的SRH復(fù)合。由于當(dāng)AlGaSb的厚度過大時(shí)，會(huì)與超晶格產(chǎn)生較大的晶格失配應(yīng)力。因此，考慮勢壘層厚度對(duì)器件整體的暗電流和光響應(yīng)的影響，同時(shí)簡化器件結(jié)構(gòu)以便于后續(xù)實(shí)際材料生長和器件工藝，一般將AlGaSb勢壘層厚度定為100 nm。

圖4 (a) 77 K下不同勢壘層厚度下的J-V曲線；(b) ±0.3 V下不同勢壘層厚度下的光響應(yīng)譜

摻雜對(duì)暗電流和光響應(yīng)的影響

將15 MLs InAs/8 MLs GaSb吸收層厚度設(shè)置為4 μm，8 MLs InAs/6 MLs GaSb吸收層厚度為2 μm，勢壘層Al0.2Ga0.8Sb厚度為100 nm。在此基礎(chǔ)上研究77 K下吸收層摻雜和勢壘層摻雜對(duì)器件暗電流和光響應(yīng)的影響。對(duì)吸收層分別進(jìn)行1×101?、1×101?、1×101? cm?3的摻雜，圖5（a）中，在0.3 V和?0.3 V的工作電壓下，吸收層摻雜濃度增大時(shí)，即電子濃度增大，相應(yīng)的少子空穴濃度減小，暗電流減小，但增大摻雜濃度對(duì)降低暗電流的影響較微弱，且由圖5（b）可以看出高濃度摻雜減小少數(shù)載流子空穴的壽命，即帶間復(fù)合率增大，使得光生載流子更多的被復(fù)合而沒有被電極收集，從而降低光響應(yīng)。且高濃度摻雜會(huì)使得導(dǎo)帶上的電子濃度增大，進(jìn)而增加自由載流子的光吸收，增加光損耗，從而也會(huì)降低光響應(yīng)。因此，通常吸收層為非故意摻雜。通過對(duì)勢壘層分別進(jìn)行1×101?、1×101?、5×101? cm?3的摻雜，由圖5（c）和圖5（d）可得，在0.3 V和?0.3 V的工作電壓下，當(dāng)勢壘層摻雜增大時(shí)，暗電流會(huì)相應(yīng)地微弱的減小，且基本不影響光響應(yīng)。但由圖5（e）可以看到，當(dāng)摻雜過高時(shí)會(huì)引起較大的帶階，這會(huì)阻擋光生電子的傳輸，減小光電流。因此，在實(shí)際的材料生長中，采取勢壘層為非故意摻雜。

圖5 (a) 吸收層在不同摻雜濃度下的暗電流密度；(b) 吸收層在不同摻雜濃度下的光響應(yīng)；(c) 勢壘層在不同摻雜濃度下的暗電流密度；(d) 勢壘層在不同摻雜濃度下的光響應(yīng)；(e) 勢壘層在不同摻雜濃度下的能帶圖

吸收層厚度對(duì)光響應(yīng)和串?dāng)_的影響

對(duì)于雙波段器件，串?dāng)_是一個(gè)很大的問題，文中通過優(yōu)化中波吸收層和長波吸收層的厚度來減小兩個(gè)通道間的串?dāng)_。將15 MLs InAs/8 MLs GaSb吸收層摻雜設(shè)為1×101? cm?3，8 MLs InAs/6 MLs GaSb吸收層摻雜設(shè)為1×101? cm?3，勢壘層Al0.2Ga0.8Sb厚度為100 nm，摻雜為1×101? cm?3。

通過將長波吸收區(qū)15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格厚度設(shè)為2 μm，改變中波吸收區(qū)8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格的厚度，得到了如圖6（a）所示的光響應(yīng)圖：隨著8 InAs/6GaSb超晶格厚度增加，中波的光電流逐漸變大，且長波通道對(duì)于中波的光響應(yīng)逐漸減小，且由圖6（c）可以看到，中波通道與長波通道間的串?dāng)_逐漸減小。實(shí)際在MBE生長材料的過程當(dāng)中，要生長這么厚的超晶格材料，對(duì)于材料質(zhì)量的把控較為困難，且后續(xù)在器件工藝時(shí)也存在較大的難度。因此將中波吸收層8 MLs InAs/6 MLs GaSb厚度設(shè)為4 μm，在一定程度上減小了串?dāng)_，但對(duì)于后續(xù)的MBE生長也帶來了一定程度地挑戰(zhàn)。

圖6 (a) 不同中波吸收層厚度下的光響應(yīng)率；(b) 不同長波吸收層厚度下的光響應(yīng)率；(c) 不同中波吸收層厚度下的串?dāng)_；(d) 不同長波吸收層厚度下的串?dāng)_

圖6（b）是將中波吸收層8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格厚度設(shè)為4 μm，改變長波吸收層15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格的厚度，可以看到隨著長波吸收層厚度的增加，長波通道的響應(yīng)率也逐漸增加，中波通道的響應(yīng)率沒有發(fā)生變化，且由圖6（d）可以看到但長波通道對(duì)中波通道的串?dāng)_減小的較少，而中波通道對(duì)長波通道的串?dāng)_幾乎不變。當(dāng)長波吸收層厚度過大時(shí)，材料生長和器件工藝的難度增大，并且對(duì)兩通道間的串?dāng)_影響不大，因此將長波吸收層15 MLs InAs/8 MLs GaSb的厚度設(shè)為2 μm，在一定程度上兼顧量子效率和減小器件的串?dāng)_。將中波吸收層厚度定為4 μm，長波吸收層厚度定為2 μm時(shí)，中波通道對(duì)長波通道的串?dāng)_為4.7%，長波通道探測性能良好；但長波通道對(duì)中波通道的串?dāng)_為48.4%，這可能是仿真時(shí)定義的光吸收系數(shù)值不夠準(zhǔn)確，下一步需要通過實(shí)際的器件測試得到準(zhǔn)確的吸收系數(shù)來進(jìn)一步指導(dǎo)仿真。

不同溫度下的J-V曲線

將15 MLs InAs/8 MLs GaSb吸收層厚度設(shè)為4 μm，摻雜為1×101? cm?3，8 MLs InAs/6 MLs GaSb吸收層厚度為2 μm，摻雜為1×101? cm?3，勢壘層Al0.2Ga0.8Sb厚度為100 nm，摻雜為1×1101? cm?3。為了直觀的看到溫度對(duì)器件的影響，仿真得到了不同溫度（77、110、130、150、180、210、240、280、300 K）下的J-V曲線。由圖7（a）可以看到，探測器在反偏下的暗電流隨著溫度的降低而減小。所有的暗電流機(jī)制都隨著溫度的增加而增大，但溫度對(duì)它們的影響的程度大小不同，因此暗電流的主導(dǎo)機(jī)制也隨會(huì)著溫度的變化而變化。文中繪制RA-1000/T曲線來分析暗電流機(jī)制，通過提取曲線的斜率可以得到不同溫度下的暗電流主導(dǎo)機(jī)制。在動(dòng)態(tài)阻抗RA和1000/T的關(guān)系圖中，可以得到不同溫度下的暗電流主導(dǎo)機(jī)制，圖7（b）中，正偏時(shí)，在溫度大于160 K的暗電流主要以擴(kuò)散電流為主；而在130~160 K的溫度區(qū)間內(nèi)主要以G-R電流為主；在更低的溫度下，隧穿電流將會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生一定的影響，但效果不明顯。反偏下，在大于110 K時(shí)，器件的主導(dǎo)暗電流機(jī)制為擴(kuò)散電流和G-R電流，低溫下受隧穿電流影響較大。因此中波通道相較于長波通道，能工作在更高的溫度下。

圖7 (a) 不同溫度下的J-V曲線；(b) 不同溫度下的暗電流主導(dǎo)機(jī)制

器件性能分析

響應(yīng)率是表示器件單位功率的光子產(chǎn)生光生電流的能力，是反映探測器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。通過第2小節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)確定了最終的結(jié)構(gòu)：15 MLs InAs/8 MLs GaSb超晶格吸收層厚度為4 μm，摻雜為1×101? cm?3，8 MLs InAs/6 MLs GaSb超晶格吸收層厚度為2 μm，摻雜為1×101? cm?3，勢壘層Al0.2Ga0.8Sb厚度為100 nm，摻雜為1×101? cm?3。圖8（a）為不同偏壓下的光響應(yīng)率，可以看到在零偏下即可實(shí)現(xiàn)中波響應(yīng)，而長波通道的開啟電壓為?120 mV。

圖8 (a) 不同偏壓下的中波與長波通道的光響應(yīng)率；(b) 不同偏壓下的中波與長波通道的量子效率

量子效率是電極層收集到的電子空穴對(duì)與輸入的光子數(shù)量的比值，能夠更為直觀的反映出探測器的性能。圖8（b）為77 K下的不同偏壓下的量子效率。在零偏壓下，中波通道的峰值量子效率為2 μm處的64%；當(dāng)偏壓為?130 mV時(shí)，長波通道的峰值量子效率為5.6 μm處的48%。比探測率是表示探測器歸一化噪聲性能。計(jì)算得到的中波通道和長波通道的探測率如圖9所示。在77 K下，中、長波峰值探測率為3.9×1011、4.1×1011 cm·Hz1/2·W?1。

圖9 (a) 不同溫度下的中波通道探測率；(b) 不同溫度下的長波通道探測率

結(jié)論與展望

文中通過對(duì)nBn型的二類超晶格中/長波雙波段探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，優(yōu)化了吸收層和勢壘層的厚度、摻雜濃度等來減小器件的暗電流和中波通道與長波通道間的串?dāng)_，得到了器件結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)，仿真得到了中波通道截止波長為4.8 μm（50%），在77 K下，外加0.3 V偏壓時(shí)，暗電流密度為4×10?? A·cm?2，RA為6.7×103 Ω·cm2，峰值量子效率為64%，峰值探測率3.9×1011 cm·Hz1/2·W?1；長波通道截止波長為10.5 μm（50%），在77 K下，外加?0.3 V偏壓時(shí)，暗電流密度為1.3×10?? A·cm?2，RA為2.3×103 Ω·cm2，峰值量子效率η為48%，峰值探測率4.1×1011 cm·Hz1/2·W?1，為后續(xù)材料生長和器件工藝提供了理論依據(jù)。從仿真方面證實(shí)了，基于15 MLs InAs/8 MLs GaSb和8 MLs InAs/6 MLs GaSb的nBn結(jié)構(gòu)的中/長波雙波段紅外探測器是可行的。

文中設(shè)計(jì)的雙波段探測器件具有器件結(jié)構(gòu)簡單和暗電流密度低等優(yōu)點(diǎn)，性能方面與國外基于nBn結(jié)構(gòu)的InAs/InAsSb紅外探測器和國內(nèi)基于PπMN結(jié)構(gòu)的InAs/GaSb紅外探測器等同類型器件相比，中波通道探測率相近，但長波通道探測率更高。仿真會(huì)與實(shí)際的器件性能結(jié)果有一定的差別，因此后續(xù)將會(huì)進(jìn)行材料生長與器件工藝來進(jìn)一步反饋仿真，同時(shí)在器件結(jié)構(gòu)方面將會(huì)做進(jìn)一步的改進(jìn)。

這項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62105039）、北京學(xué)者計(jì)劃研究項(xiàng)目（BJXZ2021-012-00046）、北京教育委員會(huì)研究項(xiàng)目（KM202111232019）和北京信息科技大學(xué)研究項(xiàng)目（2022XJJO7）的資助和支持。

審核編輯：劉清