基于II類(lèi)超晶格的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)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(cè)中，其工作原理如圖1所示。當(dāng)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(dòng)通過(guò)共振弛豫穿過(guò)弛豫區(qū)，后又在聲子輔助下隧穿通過(guò)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(dòng)，即使在沒(méi)有外加偏置電壓的條件下也能產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)。

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

帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器可以利用多級(jí)吸收區(qū)級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高的工作溫度，但不同的吸收區(qū)厚度設(shè)計(jì)方式會(huì)使得器件中不同級(jí)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(duì)器件量子效率造成影響。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、上海科技大學(xué)和國(guó)科大杭州高等研究院的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“帶間級(jí)聯(lián)紅外探測(cè)器的光電流輸運(yùn)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(cè)器的研究工作；通訊作者為周易和陳建新。

本文對(duì)基于InAs/GaSb II類(lèi)超晶格的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器進(jìn)行了變溫測(cè)試，并基于多級(jí)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(jì)算模型，通過(guò)與實(shí)際測(cè)試的量子效率對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在低溫條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果擬合一致性較好，驗(yàn)證了多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器中基于內(nèi)增益機(jī)制的光電流平均效應(yīng)。但在高溫條件下實(shí)際的光電流低于“平均效應(yīng)”的理論計(jì)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(jī)制。

器件制備和測(cè)試

器件制備

本文對(duì)比了如表1所示的4組不同級(jí)數(shù)的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器結(jié)構(gòu)，分別為單級(jí)、三級(jí)、五級(jí)和十級(jí)。根據(jù)計(jì)算可知三級(jí)器件吸收區(qū)厚度分別為551 nm、722 nm 和1079 nm，五級(jí)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(jì)為吸收區(qū)等厚度器件，每級(jí)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(guò)程中，通過(guò)電子束蒸發(fā)技術(shù)在器件的襯底背面沉積了金，以實(shí)現(xiàn)與背入射器件相同的光路，最后通過(guò)鍵壓利用金線(xiàn)將器件連接在變溫杜瓦上進(jìn)行測(cè)試；制備背入射器件時(shí)，在完成濕法腐蝕后利用化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)了厚度為400 nm的Si?N?鈍化層，再通過(guò)等離子體刻蝕形成電極孔后進(jìn)行金屬電極沉積，隨后進(jìn)行銦柱的生長(zhǎng)，之后將銦柱與寶石片進(jìn)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(jìn)行測(cè)試。當(dāng)器件工作在正照射條件下，光首先通過(guò)最厚的吸收區(qū)，然后逐級(jí)穿過(guò)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(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)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(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器示意圖

利用傅立葉紅外光譜儀對(duì)上述帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器進(jìn)行變溫變壓條件下的相對(duì)響應(yīng)光譜測(cè)試，隨后測(cè)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(duì)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(cè)器在波長(zhǎng)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(guò)實(shí)際測(cè)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(shì)。當(dāng)工作溫度低于200 K，外加反向偏壓達(dá)到200 mV時(shí)，量子效率開(kāi)始趨于飽和。溫度為200 K時(shí)，擬合獲得InAs/GaSb II類(lèi)超晶格材料的少子擴(kuò)散長(zhǎng)度為2.5 μm，大于器件吸收區(qū)厚度，同時(shí)結(jié)合前期對(duì)材料的掃描透射電子顯微鏡（STEM）和能帶結(jié)構(gòu)研究，認(rèn)為可能是由于弛豫區(qū)和吸收區(qū)之間的能帶未完全對(duì)準(zhǔn)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(guò)勢(shì)壘結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效收集。而當(dāng)工作溫度高于200 K時(shí)，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(kuò)散長(zhǎng)度隨著溫度的升高逐漸減小，當(dāng)擴(kuò)散長(zhǎng)度小于吸收區(qū)厚度時(shí)，探測(cè)器需工作在一定的偏壓下，彌補(bǔ)擴(kuò)散長(zhǎng)度的不足，使得光生載流子在外加電場(chǎng)下得到有效收集。圖3（b）-（d）展示了在波長(zhǎng)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(shí)，利用實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算后獲得的量子效率值。如圖所示，多級(jí)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(shì)。M3器件在外加偏壓達(dá)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(dá)到600 mV和800 mV后，量子效率開(kāi)始趨于飽和。這是由于多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，級(jí)數(shù)越多，則該探測(cè)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(cè)器在不同偏壓和溫度下的量子效率

此外，從圖中可知，當(dāng)同一器件工作在不同溫度下，其量子效率會(huì)在不同外加偏置電壓下達(dá)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(shuō)明多級(jí)器件與單級(jí)M1器件相似，當(dāng)溫度較低時(shí)，“飽和偏壓”來(lái)源于結(jié)構(gòu)中的能帶不完全對(duì)準(zhǔn)，而溫度升高后，由于光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度不足，需要更大的外加偏置電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光生載流子的有效收集。單級(jí)吸收區(qū)厚度越薄，溫度升高導(dǎo)致的擴(kuò)散長(zhǎng)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(jí)聯(lián)探測(cè)器的量子效率仿真計(jì)算

基于上述對(duì)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器量子效率的變溫變壓結(jié)果分析，可知實(shí)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(duì)準(zhǔn)的影響。而當(dāng)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(yùn)將不再僅依賴(lài)中性區(qū)的擴(kuò)散，為優(yōu)化帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的量子效率理論模型，我們考慮了空間電荷區(qū)對(duì)量子效率的貢獻(xiàn)。

空間電荷區(qū)的量子效率仿真計(jì)算

在外加偏壓的條件下，為計(jì)算每一級(jí)吸收區(qū)的空間電荷區(qū)寬度，首先需要計(jì)算每一級(jí)吸收區(qū)的分壓。圖4（a）表示溫度為80 K時(shí)，單級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件在不同外加偏置電壓下的電場(chǎng)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(chǎng)分布示意圖。

圖4 （a）外加偏置電壓下的電場(chǎng)仿真圖，插圖為對(duì)應(yīng)的電勢(shì)圖；（b）外加偏置電壓的電場(chǎng)分配示意圖

對(duì)外加偏置電壓下多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件的每級(jí)分壓進(jìn)行計(jì)算。以2級(jí)的帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件為例，設(shè)外加偏置電壓為V，第一級(jí)和第二級(jí)分到的偏壓分別為Vd1和Vd2，如圖5所示。

圖5 兩級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的外加偏置電壓分布示意圖

實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果比較

單級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器

圖6為M1探測(cè)器件在溫度為80 K至300 K，飽和偏壓-200 mV條件下的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的量子效率。其中黑色實(shí)線(xiàn)為波長(zhǎng)4.1 μm處實(shí)際測(cè)試獲得的量子效率，紅色實(shí)線(xiàn)為基于上述模型計(jì)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(lán)色虛線(xiàn)為僅考慮擴(kuò)散作用的量子效率計(jì)算結(jié)果。如圖所示，考慮空間電荷區(qū)貢獻(xiàn)后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，驗(yàn)證了前文推導(dǎo)的量子效率理論計(jì)算模型。

圖6 M1帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件在不同溫度下的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算量子效率

多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器

圖7（a）（b）分別為正、背入射多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器在工作溫度為150 K至200 K，飽和偏壓條件下測(cè)試獲得的量子效率與仿真計(jì)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(shí)際測(cè)得的飽和偏壓量子效率和理論計(jì)算結(jié)果基本一致，誤差在4%以?xún)?nèi)。這說(shuō)明在低溫下多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的器件光電流與各級(jí)吸收區(qū)的光電流的平均值結(jié)果接近，這驗(yàn)證了前述的多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的光電流平均效應(yīng)。但在高工作溫度下多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基于平均效應(yīng)的理論計(jì)算結(jié)果存在較大差異。

圖7 （a）正入射；（b）背入射多級(jí)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件在低溫下的飽和測(cè)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(jí)聯(lián)探測(cè)器工作在飽和偏壓時(shí)高溫下（200 K至280 K）測(cè)得的量子效率和仿真計(jì)算結(jié)果，此時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)低于理論計(jì)算，且隨著溫度升高，差異越大。這說(shuō)明隨著工作溫度的升高，實(shí)際測(cè)得的量子效率數(shù)據(jù)低于基于各級(jí)吸收區(qū)的光電流平均值理論所計(jì)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(cè)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(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，光生載流子能夠被有效收集的一個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)，因而可以快速在弛豫區(qū)中通過(guò)聲子輔助隧穿效應(yīng)到達(dá)下一級(jí)的價(jià)帶，形成級(jí)聯(lián)輸運(yùn)。當(dāng)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(jí)吸收區(qū)積累的光生少數(shù)載流子濃度降低，前后兩級(jí)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(chǎng)強(qiáng)度降低，減少了后級(jí)吸收區(qū)中光電響應(yīng)的增益，從而使得探測(cè)器的整體光電流低于平均效應(yīng)的理論計(jì)算。

圖8 （a）M3、（b）M5、（c）M10的正、背入射帶間級(jí)聯(lián)在高溫下的飽和測(cè)試和擬合量子效率

對(duì)比圖8（a）（b）可知，M3和M5的正入射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果的差異大于其背入射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果差異。由于正入射器件的前級(jí)吸收區(qū)厚，會(huì)產(chǎn)生較多的光生載流子；后級(jí)吸收區(qū)薄且入射光的衰減受前級(jí)吸收區(qū)較厚的影響，產(chǎn)生的光生載流子較少，此時(shí)多級(jí)的正入射帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件內(nèi)部的光生載流子失配嚴(yán)重，為滿(mǎn)足電流連續(xù)性，相較于背入射器件，更依賴(lài)內(nèi)部形成的內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)光電流內(nèi)增益。當(dāng)工作溫度升高，探測(cè)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(chǎng)強(qiáng)度降低，正入射器件各級(jí)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(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)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(jí)產(chǎn)生的光生載流子數(shù)目一致。因此，針對(duì)高工作溫度的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)探測(cè)器，其光電流不再滿(mǎn)足基于內(nèi)增益的平均效應(yīng)，在設(shè)計(jì)中器件的每級(jí)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(shí)現(xiàn)量子效率的最大化。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器光電流響應(yīng)的理論計(jì)算與仿真，對(duì)比正入射與背入射下的不同級(jí)數(shù)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器件量子效率的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，深入研究了多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中各級(jí)吸收區(qū)光生載流子不匹配時(shí)電子增益對(duì)光響應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器在低溫飽和偏壓工作下，正入射與背入射的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果擬合一致性較好，驗(yàn)證了在電子增益的作用下帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的光電流與各級(jí)吸收區(qū)的光電流平均值吻合；當(dāng)工作溫度升高時(shí)，實(shí)際的光電流低于基于“平均效應(yīng)”的理論計(jì)算結(jié)果，且光生載流子失配越大實(shí)際光電流越小。這可能時(shí)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(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金（62222412、61904183）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFB3606800）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)（Y202057）和上海市科技啟明星計(jì)劃（21YF1455000）的資助和支持。

審核編輯：湯梓紅