基于InAs/GaSb Ⅱ類超晶格（T2SL），科研人員成功實(shí)現(xiàn)了短波、中波、長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波的紅外探測(cè)。但T2SL探測(cè)器通常要在低溫下工作，需要制冷，這大大增加了整機(jī)尺寸、功耗和成本。為了降低探測(cè)器的暗電流，不同勢(shì)壘能帶結(jié)構(gòu)的T2SL探測(cè)器被提出，如采用單極勢(shì)壘、互補(bǔ)勢(shì)壘、M結(jié)構(gòu)勢(shì)壘、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器，以及帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心的科研團(tuán)隊(duì)在《光子學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“基于Ⅱ類超晶格的中波紅外帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為薛婷，通訊作者為黃建亮和馬文全。

基于帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)在高溫工作的優(yōu)勢(shì)，本文采用T2SL材料作為吸收區(qū)設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)五級(jí)帶間級(jí)聯(lián)中波紅外光電探測(cè)器，相比于其他帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器，該器件在達(dá)到相似探測(cè)率水平下截止波長(zhǎng)更長(zhǎng)。且在77~220 K溫度范圍的暗電流曲線中觀察到了負(fù)微分電阻效應(yīng)（NDR），對(duì)峰谷電流比隨溫度升高而降低的趨勢(shì)進(jìn)行了解釋。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及生長(zhǎng)

如圖1所示，帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器采用多級(jí)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，每級(jí)由吸收區(qū)、空穴勢(shì)壘區(qū)和電子勢(shì)壘區(qū)組成，吸收區(qū)多采用InAs/GaSb二類超晶格，空穴勢(shì)壘區(qū)一般采用InAs/AlSb多量子阱，電子勢(shì)壘區(qū)一般采用GaSb/AlSb多量子阱。吸收區(qū)位于空穴勢(shì)壘區(qū)和電子勢(shì)壘區(qū)之間，吸收光子能量產(chǎn)生電子，電子向電子勢(shì)壘區(qū)的運(yùn)輸被高勢(shì)壘阻擋，但可以在光學(xué)聲子的輔助下弛豫到最低能級(jí)，再通過(guò)電子勢(shì)壘區(qū)共振隧穿到下一吸收區(qū)的價(jià)帶，完成帶間級(jí)聯(lián)輸運(yùn)過(guò)程。

圖1 探測(cè)器的能帶結(jié)構(gòu)示意圖

在帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中，空穴勢(shì)壘區(qū)的能級(jí)E?應(yīng)與吸收區(qū)的電子基態(tài)能級(jí)E?接近，電子勢(shì)壘區(qū)的空穴能級(jí)HH??應(yīng)與吸收區(qū)的重空穴能級(jí)HH?接近，相鄰能級(jí)之間的弛豫和隧穿需要光學(xué)聲子的輔助，所以空穴勢(shì)壘區(qū)和電子勢(shì)壘區(qū)的能級(jí)應(yīng)設(shè)計(jì)為等差分布，相鄰能級(jí)之間的能量差應(yīng)為一個(gè)縱向光聲子能量，約為30 meV。

基于以上原理，采用8 k·p模型對(duì)能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算并對(duì)探測(cè)器中的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)能級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中以InAs材料的價(jià)帶頂為能量零點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)中波紅外探測(cè)，吸收區(qū)采用InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格結(jié)構(gòu)，厚度為0.5 μm，對(duì)應(yīng)的電子基態(tài)E?和重空穴基態(tài)HH?分別約為0.72 eV和0.43 eV。該探測(cè)器利用了從HH?到E?的躍遷，因此吸收區(qū)的有效帶隙為0.29 eV，對(duì)應(yīng)的探測(cè)波長(zhǎng)就是4.28 μm。為了光生載流子輸運(yùn)，空穴勢(shì)壘區(qū)由AlSb（2.1 nm）/InAs（9.0 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（8.1 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（7.2 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（6.3 nm）/AlSb（2.5 nm）/InAs（5.4 nm）/AlSb（2.4 nm）/InAs（4.5 nm）/AlSb（2.3 nm）/InAs（3.6 nm）/AlSb（2.2 nm）/InAs（2.9 nm）/AlSb（2.1 nm）組成，其對(duì)應(yīng)的電子能級(jí)（E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8）的差約等于一個(gè)縱向光學(xué)聲子的能量。電子勢(shì)壘區(qū)由兩個(gè)空穴量子阱組成，具體排列是AlSb（2.1 nm）/GaSb（5.3 nm）/AlSb（2.1 nm）/GaSb（7.5 nm）/AlSb（2.1 nm），計(jì)算得到相鄰能級(jí)的能量差與縱向光學(xué)聲子能量有輕微偏差，但基本符合設(shè)計(jì)。

P型接觸層為0.5 μm厚的GaSb和100個(gè)周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（36 nm）超晶格，摻雜濃度為2×101? cm?3；級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)區(qū)由5個(gè)周期的電子勢(shì)壘區(qū)、吸收區(qū)和空穴勢(shì)壘區(qū)組成；N型接觸層由100個(gè)周期的InAs（2.4 nm）/GaSb（3.6 nm）超晶格和20 nm厚的InAs層組成，摻雜濃度為2×101? cm?3。外延片樣品采用分子束外延技術(shù)在n型GaSb（001）襯底上使用As源和Sb源生長(zhǎng)，將生長(zhǎng)的樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化光刻和蝕刻制備成方形臺(tái)面結(jié)構(gòu)。方形臺(tái)面的尺寸為300 μm×300 μm。P型和N型歐姆接觸電極都采用Ti/Au金屬。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

暗電流測(cè)試

圖2是從77 K到300 K溫度范圍內(nèi)的變偏壓器件暗電流密度曲線，當(dāng)偏置電壓是?20 mV時(shí)，在77 K、160 K和300 K時(shí)，暗電流密度分別為1.91×10?? A/cm2、1.95×10?? A/cm2 和4.3×10?2 A/cm2。圖2中低溫特定正偏壓范圍內(nèi)可以觀察到負(fù)微分電阻效應(yīng)，并且呈現(xiàn)了與溫度相關(guān)的趨勢(shì)。根據(jù)暗電流密度的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到零偏動(dòng)態(tài)電阻與面積的乘積R?A。例如，在77 K、160 K和300 K時(shí)，R?A分別為2.68×10? Ω·cm2、1.02×103 Ω·cm2和0.44 Ω·cm2。

圖2 77 K到300 K的暗電流密度曲線

為了對(duì)暗電流機(jī)制進(jìn)行分析，做出如圖3所示的溫度從77 K到300 K時(shí)的暗電流密度對(duì)1000/T（溫度）的依賴關(guān)系，即Arrhenius曲線。從Arrhenius圖可知，在180~300 K之間器件的激活能為279 meV。對(duì)于T2SL探測(cè)器來(lái)說(shuō)，50%截止波長(zhǎng)非常接近超晶格吸收區(qū)的有效帶隙，即電子基態(tài)能級(jí)和重空穴基態(tài)能級(jí)之間的差。而從圖4（a）可以得到在300 K時(shí)器件50%截止波長(zhǎng)是4.88 μm，對(duì)應(yīng)的有效帶隙是254 meV?？梢?jiàn)激活能非常接近有效帶隙的值，這意味著在180到300 K溫度范圍內(nèi)擴(kuò)散暗電流占暗電流的主導(dǎo)地位。這是因?yàn)椴捎昧藥чg級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，對(duì)于其他結(jié)構(gòu)的T2SL探測(cè)器，在類似的溫度范圍內(nèi)的暗電流通常以產(chǎn)生-復(fù)合暗電流為主。但在77 K到140 K左右的溫度范圍內(nèi)，測(cè)量得到的激活能只有23 meV左右。該段的暗電流機(jī)制尚不清楚，其中一個(gè)猜測(cè)是測(cè)量得到的暗電流結(jié)果可能包括了暗電流和背景輻照導(dǎo)致的光電流。

圖3 暗電流密度在77 K到300 K之間的Arrhenius圖

圖4 當(dāng)偏置電壓為0 V時(shí)，器件從77 K到300 K下的響應(yīng)率和探測(cè)率D*

響應(yīng)率與探測(cè)率光譜

實(shí)驗(yàn)中采用Bruker Vertex 70傅里葉紅外光譜儀測(cè)試帶間級(jí)聯(lián)探測(cè)器的光譜，通過(guò)將黑體溫度設(shè)置在800 K校準(zhǔn)得到光響應(yīng)譜。圖4是77~300 K溫度范圍內(nèi)零偏壓時(shí)的響應(yīng)率和探測(cè)率譜。在77 K時(shí)，50%截止波長(zhǎng)為4.02 μm，器件的探測(cè)波長(zhǎng)非常接近我們的設(shè)計(jì)，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為3.79 μm，對(duì)應(yīng)的峰值響應(yīng)率為0.52 A/W，探測(cè)率D*為1.26×1012 cm·Hz1/2/W。在300 K時(shí)，器件的50%截止波長(zhǎng)紅移到了4.88 μm，峰值響應(yīng)波長(zhǎng)紅移到了4.47 μm，對(duì)應(yīng)的峰值響應(yīng)率為0.20 A/W，探測(cè)率D*為1.28×10? cm·Hz1/2/W。

負(fù)微分電阻效應(yīng)分析

前節(jié)中提到，77 K到220 K溫度范圍內(nèi)的暗電流中可以觀察到負(fù)微分電阻效應(yīng)（NDR）。在77 K時(shí)，當(dāng)偏置電壓約為1.12~1.13 V時(shí)，表現(xiàn)出NDR效應(yīng)；在100 K時(shí)，出現(xiàn)NDR效應(yīng)的偏置電壓轉(zhuǎn)移到了1.05~1.08 V；到200 K時(shí)，NDR效應(yīng)的電壓范圍變?yōu)?.72~0.75 V；而當(dāng)溫度升到220 K時(shí)，峰值暗電流與谷值暗電流重合在0.66 V處。很明顯，出現(xiàn)NDR效應(yīng)的偏壓隨溫度變化而變化，即器件中存在共振隧穿現(xiàn)象且隧穿條件隨溫度的變化而變化。

圖5呈現(xiàn)了NDR效應(yīng)的峰值暗電流（Ip）、谷值暗電流（IV）和峰谷電流比（PVCR）隨溫度的變化曲線，PVCR是共振隧穿條件滿足程度的指標(biāo)。在77 K時(shí)，Ip約為7.44×10?? A，IV為4.16×10?? A，PVCR計(jì)算得1.79。在160 K時(shí)，Ip約為7.45×10?? A，IV是5.69×10?? A，PVCR變成1.31。在220 K時(shí)，Ip幾乎等于IV，約為8.23×10?? A，此時(shí)PVCR變?yōu)?，觀察不到NDR效應(yīng)。從圖5中可以看出，隨著溫度的升高，Ip基本不變，IV變大，PVCR值降低。

圖5 77 K到220 K下的峰值暗電流（Ip）、谷值暗電流（Iv）以及峰谷電流比（PVCR）

在本實(shí)驗(yàn)中，器件的隧穿機(jī)制共有兩種。一種是共振隧穿機(jī)制，另一種是通過(guò)電子勢(shì)壘區(qū)的隧穿機(jī)制。波谷處的暗電流IV主要是通過(guò)帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘的隧穿暗電流。當(dāng)溫度升高時(shí)，N（E）和f（E）的乘積增大，而隧穿概率T（E，V）與能態(tài)成指數(shù)正比關(guān)系，即T（E，V）隨溫度升高指數(shù)升高，所以n（V）急速升高，因此谷點(diǎn)處的暗電流會(huì)隨著溫度的升高而增加。而在NDR峰值處的暗電流包含了兩種機(jī)制的暗電流，由兩種隧穿機(jī)制共同決定了暗電流的變化。根據(jù)負(fù)微分電阻效應(yīng)的原理，此處共振隧穿電流達(dá)到最大，繼續(xù)升高偏壓則不再滿足共振隧穿條件，暗電流隨之減小。為了簡(jiǎn)化模型，通常將共振隧穿電流的隧穿概率T（E，V）視為一個(gè)常數(shù)。溫度升高時(shí)，滿足共振隧穿條件時(shí)的N（E）和f（E）的乘積減小，n（V）減小，導(dǎo)致共振隧穿暗電流的減小。在暗電流的結(jié)果中可以觀察到IP基本不隨溫度變化，這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高共振隧穿暗電流的減小量與通過(guò)勢(shì)壘的暗電流的增大量基本相等。相應(yīng)地，在較高的溫度下，基本不變的IP和升高的IV導(dǎo)致了PVCR的減小，最終使PVCR減小到1，不再觀察到負(fù)微分電阻效應(yīng)。

結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制備了一種采用T2SL材料的帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的中波紅外光電探測(cè)器。在77 K時(shí)，50%截止波長(zhǎng)是4.02 μm，0 V峰值探測(cè)率為1.26×1012 cm·Hz1/2/W。在300 K時(shí)，峰值探測(cè)率達(dá)到1.28×10? cm·Hz1/2/W，50%截止波長(zhǎng)是4.88 μm，與其他采用帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)制備的更短波長(zhǎng)的探測(cè)器達(dá)到相同探測(cè)率水平。在180~300 K的溫度范圍內(nèi)，器件的暗電流主要由擴(kuò)散電流而不是產(chǎn)生復(fù)合電流主導(dǎo)。在77~220 K溫度范圍內(nèi)的暗電流曲線中也觀察到負(fù)微分電阻（NDR）效應(yīng)。結(jié)果表明，具有帶間級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的T2SL探測(cè)器可以進(jìn)行高溫工作，特別是在中波長(zhǎng)范圍內(nèi)。

這項(xiàng)研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（No.61874103）的資助和支持。

審核編輯：劉清