II類超晶格紅外探測器原理

1 二類超晶格探測器原理

二類超晶格的概念由IBM研究院的Sai-Halasz和Esaki 等科學(xué)家于1977年提出隨后他們對InAs/GaSb二類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果：InAs/GaSb 超晶格根據(jù)其周期結(jié)構(gòu)厚度的不同，表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性或半金屬特性。

由晶格常數(shù)相互接近的 InAs( 6. 0583?)，GaSb( 6. 09593 ?) 和 AlSb( 6. 1355 ?) 及其化合物按照一定的層厚度、 組分及順序周期性交替堆疊而構(gòu)成人工晶體，由于相互之間晶格失配小，因而可以生長復(fù)雜的二元或三元化合物。

圖1 二類超晶格能帶與材料SEM

InAs/GaSb 超晶格由超薄的 InAs 層與 GaSb 層周期性地交替生長構(gòu)成，超晶格超薄層結(jié)構(gòu)使得材料中的電子和空穴不能被限制在其中某一個量子阱中，電子和空穴通過勢壘隧穿形成微帶，如圖 1 所示。二類超晶格這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)使其可以表現(xiàn)為不同于組成材料的性質(zhì)，其有效帶隙可以通過周期厚度靈活調(diào)節(jié)。理論計(jì)算結(jié)果顯示二類超晶格有效帶隙可以從 0連續(xù)調(diào)節(jié)到 400meV，具有覆蓋 3.1～30μm 波段紅外探測能力。并在一定 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。通過調(diào)節(jié)構(gòu)成周期中各阱層厚度，即可以獨(dú)立調(diào)節(jié)導(dǎo)帶和價帶，進(jìn)而調(diào)節(jié)帶隙 Eg。

2二類超晶格探測器結(jié)構(gòu)

當(dāng)前高質(zhì)量的InAs/GaSb 超晶格大都生長在GaSb 襯底上。

1)p-i-n 結(jié)構(gòu)‘

結(jié)構(gòu)由 P 型和 N 型超晶格電極接觸層以及超晶格吸收區(qū) i(π)層構(gòu)成，最頂部為 n 型 InAs 或 p 型GaSb 覆蓋層。

圖2 InAs/GaSb 超晶格中波二極管示意圖

2) “W”結(jié)構(gòu)

兩個InAs“電子阱”位于 InGaSb“空穴”阱兩邊，并對稱束縛于 AlSb(或 AlGaInSb)“勢壘”層兩邊，形狀如字母“W”。

圖3 “W”結(jié)構(gòu)探測器示意圖

3)“M”結(jié)構(gòu)

在 M 結(jié)構(gòu)中，寬帶隙 AlSb 層夾在 GaSb 層中間，有效阻擋鄰近InAs 阱中電子波函數(shù)相互接觸重疊，降低隧穿機(jī)率，增大電子有效質(zhì)量，降低電子遷移率，阻止導(dǎo)帶擴(kuò)散機(jī)制。

圖4 “M”結(jié)構(gòu)示意圖

4)“N”結(jié)構(gòu)

兩層 AlSb 作為電子勢壘非對稱的插在 InAs 和 GaSb 層之間，連續(xù)的材料能帶排列很像大寫字母“N”，故稱為 N 型結(jié)構(gòu)。

圖5 “N”結(jié)構(gòu)示意圖

3二類超晶格探測器優(yōu)勢

1)響應(yīng)波段寬，且精確可調(diào)。

對于固定的 InAs 層厚度(26 ?)，GaSb 層厚度越大，截止波長也越短;對于固定的 GaSb 層厚度(27 ?)，InAs 層厚度越大，截止波長也越長。除了有效帶隙可以在 0～400meV 連續(xù)可調(diào)，覆蓋 3.1～30μm 波段紅外探測能力外。二類超晶格材料的帶邊(導(dǎo)帶底和價帶頂)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，為新型器件結(jié)構(gòu)(特別是勢壘型器件)設(shè)計(jì)開發(fā)提供了平臺。

2)載流子有效質(zhì)量大

二類超晶格由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)，載流子有效質(zhì)量相對較大(對于長波材料來說，二類超晶格電子有效質(zhì)量約為 0.03m 0 ，碲鎘汞電子有效質(zhì)量約為 0.009m 0 )。大的有效質(zhì)量可以降低探測器的隧穿電流，而隧穿電流在長波和甚長波碲鎘汞紅外探測器的暗電流中起主要貢獻(xiàn)。

3)俄歇復(fù)合抑制。

對于二類超晶格材料來說俄歇復(fù)合可以通過對能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控加以抑制。長波(8～14 μm)及甚長波(14～20 μm)紅外探測器的工作溫度相對較低(T<80 K)，因此其漏電流以隧穿電流為主。InAs/GaSbⅡ類超晶格具有較大的電子有效質(zhì)量，較大的電子有效質(zhì)量抑制了 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格中的俄歇復(fù)合

4)光吸收系數(shù)大，量子效率高

InAs/GaSbⅡ類超晶格帶間躍遷，可以吸收正入射，量子效率大于 30%。測量結(jié)果表明，選擇適當(dāng) 厚度的超晶格層，可以使其量子效率超過 70%。相對的量子阱探測器由于量子效率低，量子阱探測器只能通過延長積分時間來提高性能，而延長積分時間又會使得暗電流對積分電容的貢獻(xiàn)增大，因此量子阱紅外探測器只能工作在較低的溫度，量子阱探測器一般工作在 65～73K。因此，超晶格紅外探測器相對于量子阱紅外探測器有明顯的優(yōu)勢。

5)均勻性好

利用比較成熟的Ⅲ-Ⅴ族材料的 MBE 生長方法，可以制備出高均勻性的Ⅱ類超晶格材料。二類超晶格材料的電子結(jié)構(gòu)通過組成材料的周期厚度來控制，從分子束外延生長的角度來講，是由三族元素的撞擊速率決定，并不隨生長溫度和束流比變化。相比于三元化合物(碲鎘汞)的摩爾組分控制，二類超晶格材料的周期厚度控制對生長條件的依賴性更小，從而可以達(dá)到更好的均勻性。

審核編輯：湯梓紅