非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究

量子阱红外探测器基于子带跃迁的工作原理，探测器吸收红外辐射后激发量子阱中的电子，使其从基态跃迁到连续态中，从而实现红外探测。

据麦姆斯咨询报道，近期，上海理工大学和中国科学院上海技术物理研究所的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料表征和器件性能研究”为主题的文章。该文章第一作者为苏家平，通讯作者为陈平平和陈泽中。

本工作是面向焦平面（FPA）非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器，为相关的10 μm - 11 μm长波焦平面量子阱红外探测器提供基础。非均匀量子阱主要特点是在量子阱中引入非均匀势垒宽度和掺杂浓度，从而改变能带结构和内部电场分布，这也为新型光电子器件和半导体器件的设计提供了新思路。

实验过程

本文样品利用法国Riber公司Compact-21型分子束外延（MBE）系统，在3 inch（1,0,0）半绝缘GaAs衬底上生长GaAs/AlGaAs量子阱结构。该MBE系统配备有单控温区Al束源炉，双控温区Ga束源炉，以及阀控As裂解炉作为As束源炉，且所有源炉均采用固态源。

随着生长的进行，势垒宽度线性变化从75 nm减小到15 nm，而阱中的掺杂浓度从1.0×10¹⁷ cm⁻³升高到1.0×10¹⁸ cm⁻³，阱中掺杂浓度和势垒宽度的分布如图1所示。量子阱的大部分掺杂浓度变化发生在后五个阱，从3.0×10¹⁷ cm⁻³升高到1.0×10¹⁸ cm⁻³。

图1 非均匀量子阱的掺杂浓度和势垒宽度分布

样品生长结束后，通过Talos F200X型高分辨透射电镜（HRTEM）表征非均匀量子阱周期的生长情况，确保样品生长与设计参数保持一致；利用Cameca 7f型二次离子质谱仪（SIMS）测试样品的非均匀量子阱周期势阱的掺杂浓度。本文采用标准工艺制备了测试器件，具体步骤如下：首先，通过光刻和湿法腐蚀，获得了200×200 μm²台面；然后，上下电极层采用电子束蒸发的方法生长100/20/400 nm的AuGe/Ni/Au金属层，并在适当退火条件下形成欧姆接触。最后，将样品磨成45°斜面耦合入射光，并用低温胶将其固定在无氧铜热沉上。为了测试器件的光电性能，将其安装在低温杜瓦制冷设备中，并测量其黑体响应、暗电流和光电流谱等参数。

结果与讨论

非均匀量子阱外延材料微观结构表征分析

本文通过高分辨透射电镜（HRTEM）对非均匀量子阱外延材料进行了表征，研究其外延层和界面特性。非均匀量子阱外延材料的晶体质量、材料的均匀性与生长参数之间的偏差是影响探测器性能的重要因素。高分辨透射电镜作为一种重要的表征工具，可以提供分子束外延材料中纳米尺度结构的详细信息，例如界面形貌、晶体缺陷和结构缺陷等。通过对材料的界面形貌和晶格缺陷的观察，可以进一步指导量子阱红外探测器材料的优化和性能的提升。为此，选择了典型的样品A进行高分辨透射电镜表征。图2展示了样品A的HRTEM图像。

图2 样品A的高分辨透射电子显微镜图像

此外，在使用HRTEM表征微观结构时，结合能谱仪（EDS）对非均匀量子阱结构中心区域进行了元素组成和含量分析。如图3所示，左一图像为高角度环形暗场图像（HAADF），从图中可以观察到，样品A与样品B均拥有很陡峭的界面，量子阱的势阱层GaAs（白色层）与势垒层AlGaAs（灰色层）层次分明，没有偏析现象出现。图3中心图像展示了Al元素的分布，可以观察到其在较宽的势垒层中均匀的分布，而在较窄的势阱层则是黑色的，没有Al元素的出现，且势阱层与势垒层的的界面非常清晰，没有偏析现象，从这从另一角度也表明了GaAs/AlGaAs拥有很好的界面质量。综上所述，通过高分辨透射电镜与能谱仪分析，均显示了非均匀量子阱外延微观结构均很好的外延质量和界面质量。

图3 样品A的能谱仪图像

为了进一步获得外延材料中各层的组分信息，并研究非均匀量子阱的另一特性（即非均匀掺杂），采用了二次离子质谱仪（SIMS）对样品A的GaAs势阱层中Si掺杂过程进行了深入分析，比较势阱的实际掺杂浓度与设计值之间的偏差。图4为样品A的SIMS测试数据，其直观地反映了非均匀量子阱材料的结构特点，即沿着外延生长方向，量子阱的势垒宽度逐渐变窄，而势阱的掺杂浓度依次升高。

图4 样品A的二次离子质谱仪（SIMS）测试结果

光电性能研究

NUQWIP与常规QWIP的光电性能

非均匀量子阱是一种在外延生长方向上具有连续变化势垒宽度和势阱掺杂浓度的量子阱结构，以此改变量子阱的电场分布，从而影响量子阱探测器的性能。暗电流是指在没有光照时，由于热激发或隧穿效应而产生的电流，它是影响光电探测器噪声、探测率等参数的重要因素。因此，分析非均匀量子阱的暗电流特性对于优化光电探测器设计和提高其性能具有重要参考意义。图5比较了非均匀结构（样品C）和常规结构（样品D）量子阱在50 K-70 K温度区间内暗电流随偏压变化的特性曲线。

图5 在不同温度下暗电流随偏压的依赖关系，实线为非均匀量子阱，虚线为常规量子阱

图6为量子阱探测器的响应光谱（PC谱），可以观察到非均匀QWIP的PC谱半高宽比常规QWIP的半峰宽明显减少，Δλ/λ从16%下降至8%，这是由于第一激发态逐渐从势阱口外向势阱口内移动，从侧面可印证跃迁模式发生了变化。此外，图7比较了非均匀结构（样品C）和常规结构（样品D）QWIP在50 K和60 K温度下，黑体响应率随偏压变化的曲线。

图6 非均匀量子阱与常规量子阱在50 K温度下的光电流响应谱

图7 非均匀量子阱和常规量子阱在不同温度下黑体响应率随偏压的变化关系

不同阱宽NUQWIP的光电性能

为了研究势阱宽度改变对非均匀量子阱电学性能的影响，生长了样品A、样品B和样品C，除了阱宽不相同外（样品A、B、C阱宽分别为6.1、6.3、6.5 nm），其他参数均保持一致。图8显示了样品A、样品B和样品C在50 K下的光电流谱。

图8 样品A、样品B和样品C在50 K下的光电流响应谱

图9展示了不同势阱宽度下的非均匀量子阱的暗电流随偏压的变化的关系图。从图中可以明显观察到，暗电流随着器件偏压的增加而快速增大，这是由于偏压增大导致量子阱的能带倾斜，从而增加了电子的碰撞电离能，进而增加了暗电流。如图10所示，显示了不同阱宽下非均匀量子阱红外探测器在不同温度下，黑体响应率随偏压变化的曲线。

图9 样品A、样品B和样品C在不同温度下暗电流随偏压的依赖关系

图10 样品A、样品B和样品C在不同温度下黑体响应率随偏压的变化关系

此外，非均匀量子阱结构和常规量子阱结构的黑体响应率在温度依赖性方面表现出部分差异。对于传统量子阱结构，在不同温度下，响应率基本保持恒定。温度与响应率存在依赖性的现象，此前仅在具有单个量子阱周期的QWIP中发现。如图10所示，对于非均匀量子阱结构，在负偏压下，响应率与温度依赖性较弱；但在正偏压下（高于1.5 V），响应率随着温度升高而增大。这是由于非均匀量子阱中每个量子阱的注入电流受到温度影响。从量子阱内部电场分布来解释，由于低掺杂阱的注入电流较低，电场分布在低温下分为两部分，分别为一个均匀的高场区以及一个较长的几乎为零的低场区。由于该区域的低量子效率和高捕获概率，因此响应率较低。随着温度的升高，这个低场区域减小，响应率逐渐增加。

结论

本文利用分子束外延（MBE）技术成功生长了非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器材料，通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）结合能谱仪（EDS）对非均匀外延微结构进行了详细的表征分析，并利用二次离子质谱仪（SIMS）对非均匀势阱掺杂进行了表征。对非均匀GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器和常规量子阱红外探测器性能做了研究比较，并分析了不同势阱宽度对非均匀量子阱红外探测器性能的影响。结果表明，使用MBE系统成功生长了高质量的非均匀量子阱外延材料，通过改变每个阱的掺杂浓度和势垒宽度，可以改变电场分布，使暗电流下降一个数量级。在不同阱宽下，可以改变非均匀量子阱的跃迁模式，束缚态到准束缚态跃迁模式下（B-QB）器件拥有更强的黑体响应率以及较低的暗电流。这些工作有助于实现焦平面量子阱红外探测器的性能提升，也为研制非均匀量子阱红外探测器应用于长波红外成像领域打下了基础。

审核编辑：汤梓红