非均勻GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器材料表征和器件性能研究

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，從而實現(xiàn)紅外探測。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，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隊在《紅外與毫米波學(xué)報》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)計提供了新思路。

實驗過程

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)。

結(jié)果與討論

非均勻量子阱外延材料微觀結(jié)構(gòu)表征分析

本文通過高分辨透射電鏡（HRTEM）對非均勻量子阱外延材料進行了表征，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，結(jié)合能譜儀（EDS）對非均勻量子阱結(jié)構(gòu)中心區(qū)域進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摻雜過程進行了深入分析，比較勢阱的實際摻雜濃度與設(shè)計值之間的偏差。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，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，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，分別為一個均勻的高場區(qū)以及一個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，這個低場區(qū)域減小，響應(yīng)率逐漸增加。

結(jié)論

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)進行了詳細的表征分析，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）器件擁有更強的黑體響應(yīng)率以及較低的暗電流。這些工作有助于實現(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)。

審核編輯：湯梓紅