GaN基量子阱紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)GaN基量子阱紅外探測(cè)器，利用自洽的薛定諤-泊松方法對(duì)GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究?？紤]了GaN基材料中的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牧孔于褰Y(jié)構(gòu)，利用自發(fā)極化和壓電極化的互補(bǔ)作用，設(shè)計(jì)出了極化匹配的GaN基量子阱紅外探測(cè)器，為下一步實(shí)現(xiàn)GaN基量子阱紅外探測(cè)器做好了準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞：GaN；量子阱；紅外探測(cè)器；極化匹配

0 引言
    紅外探測(cè)技術(shù)在軍用和民用上都具有重要的意義，在軍事方面的應(yīng)用主要包括了目標(biāo)獲取、監(jiān)視、夜視、制導(dǎo)等方面，在民用上主要包括了熱效率分析、遠(yuǎn)程溫度感應(yīng)、短距離無線通信、光譜學(xué)、天氣預(yù)報(bào)、天文學(xué)、森林防火、安防、醫(yī)療等方面。
    1962年Kruse和Rodat改進(jìn)了HgCdTe紅外探測(cè)器，使其開始應(yīng)用于單元探測(cè)器和線性陣列。HgCdTe紅外探測(cè)器是利用窄禁帶半導(dǎo)體的帶間吸收進(jìn)行紅外。光探測(cè)的。由于該類材料中外延生長(zhǎng)條件，即窗口比較窄，材料的均勻性不是很好，抗輻照能力差，因而使應(yīng)用受到了一定的限制。另外一類紅外探測(cè)器是利用子帶吸收的量子阱紅外探測(cè)器，通過能帶工程的方法，利用量子阱的子帶躍遷來吸收紅外光。這種方法不受材料本身禁帶寬度的限制，為紅外光的探測(cè)提供了新的思路。1988年貝爾實(shí)驗(yàn)室Levine小組首先報(bào)道了GaAs／AlGaAs量子阱紅外探測(cè)器，與HgCdTe探測(cè)器相比，量子阱紅外探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是材料的均勻性好，器件制作工藝成熟，抗輻照能力強(qiáng)。對(duì)于大規(guī)模的焦平面陣列探測(cè)器，這些優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)得更為明顯。

1 GaN基材料及器件
    GaN基半導(dǎo)體具有寬禁帶、直接帶隙、高電子飽和速度、高擊穿電壓、小介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)越的物理化學(xué)穩(wěn)定性，使其可以在苛刻的條件下工作，適合制備多種器件。其中，四元混晶InAlGaN的帶隙，隨著各組成組分的調(diào)整可在0．7～6．2 eV范圍連續(xù)變化。
    不同于其他的III-V族化合物半導(dǎo)體材料，如六角立方結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體材料中在沒有外電場(chǎng)存在的情況下存在著很強(qiáng)的內(nèi)建極化場(chǎng)。GaN基半導(dǎo)體材料總的宏觀極化場(chǎng)是平衡結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化場(chǎng)與由于應(yīng)力引起的壓電極化場(chǎng)之和。其中，壓電極化來源于材料中由于晶格失配而導(dǎo)致的應(yīng)力，自發(fā)極化則來源于晶格中陽(yáng)離子和陰離子的非對(duì)稱性。由于極化電場(chǎng)的存在，材料中形成了電荷的積累，使得半導(dǎo)體材料的能帶產(chǎn)生了彎曲，產(chǎn)生了鋸齒狀的能帶結(jié)構(gòu)。
    目前，常用的GaN基器件主要包括了藍(lán)、綠光發(fā)光二極管(LED)器件和GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件。在藍(lán)、綠光LED器件中，通常利用GaN／InGaN／GaN多量子阱結(jié)構(gòu)作為有源發(fā)光層，而在GaN基HEMT器件中利用AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)來形成導(dǎo)電溝道。極化效應(yīng)在不同的器件中起到了不同的作用，在藍(lán)、綠光LED器件中，鋸齒狀的能帶彎曲抑制了載流子的輸運(yùn)，降低了器件的效率；在GaN基HEMT器件中，可以利用AlGaN／GaN異質(zhì)結(jié)極化場(chǎng)所產(chǎn)生的極化電荷作為導(dǎo)電溝道中的載流子，從而提高了器件的性能。

2 GaN基量子阱紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)
    與以GaAs／AlGaAs為代表的傳統(tǒng)量子阱紅外探測(cè)器相比，GaN基量子阱紅外探測(cè)器具有如下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于GaN系材料本身是寬禁帶材料，對(duì)可見光無響應(yīng)，不需要濾波裝置。
    (2)高穩(wěn)定性和寬適用范圍。由于GaN系材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，暗電流低，抗輻射性能強(qiáng)，適用惡劣環(huán)境。
    (3)更快的響應(yīng)速度。由于激子和聲子的相互作用，GaN系極性半導(dǎo)體中的光學(xué)過程很大程度上受到LO聲子的影響，因此子帶電子的弛豫過程非?？?壽命大概是140～400μs)，可以用于Tb／s的數(shù)據(jù)通信。
    貝爾實(shí)驗(yàn)室在2000年第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了GaN／AlGaN量子阱中的子帶間躍遷，使GaN基材料在紅外量子阱探測(cè)器的研究引起人們的關(guān)注，并成為目前紅外探測(cè)器研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。當(dāng)今國(guó)際上知名的幾個(gè)研究機(jī)構(gòu)，例如貝爾實(shí)驗(yàn)室、東芝公司等，都投入了大量的人力物力來研究這個(gè)材料體系中的紅外光吸收特性。本文主要研究了如何利用GaN基材料中自發(fā)計(jì)劃和壓電極化的互補(bǔ)作用，以此形成極化匹配的量子阱紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)，避免了極化現(xiàn)象對(duì)器件性能的不利影響，提高了器件的效率。
    圖1給出了生長(zhǎng)在GaN基板上的三元混晶AlGaN和InGaN隨著成分變化而導(dǎo)致的自發(fā)極化和壓電極化電荷密度變化情況。從圖1中可以看出，對(duì)于InGaN材料來說，壓電極化電荷和自發(fā)極化電荷的符號(hào)是相反的。另外，相比于InGaN材料的壓電極化電荷密度，AlGaN材料的壓電極化電荷密度和自發(fā)極化電荷密度都小很多。因此，如果選取適當(dāng)?shù)腎nAlGaN四元混晶材料，就可以設(shè)計(jì)出極化匹配的GaN基量子阱紅外探測(cè)器。

    在此，使用了自洽的薛定諤-泊松方法進(jìn)行量子阱能帶結(jié)構(gòu)的理論模擬。理論模擬中所使用的氮化物半導(dǎo)體GaN，InN和AlN的材料參數(shù)來源于文獻(xiàn)。除了帶隙參數(shù)外，四元混晶InAlGaN的材料參數(shù)使用下面的插值公式，由GaN，InN和AlN的材料參數(shù)得到：
   
    InAlGaN材料的帶隙參數(shù)由文獻(xiàn)中介紹的方法得到。
    首先對(duì)In0.1Ga0.9N／In0.226Al0.25Ga0.524N多量子阱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論模擬，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的極化電荷不能抵消，其能帶結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，在該材料體系中，由于極化電荷的存在，導(dǎo)致了多量子阱能帶結(jié)構(gòu)的改變，形成了鋸齒形的能帶結(jié)構(gòu)。在這種情況下，由于導(dǎo)帶量子阱對(duì)電子限制作用的削弱，對(duì)于設(shè)計(jì)基于電子子帶間吸收的量子阱紅外探測(cè)器來說變得更加困難。

    通過逐步調(diào)節(jié)量子阱勢(shì)壘的組分，最終發(fā)現(xiàn)In0.1Ga0.9N／In0.2Al0.3Ga0.5N多量子阱結(jié)構(gòu)中的極化電荷基本可以抵消，也就是說，做到了極化匹配。極化匹配的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    從圖中可以看出，在極化匹配的情況下，GaN基量子阱結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的GaAs基或InP基量子阱類似，在沒有外加電場(chǎng)時(shí)，都是矩形勢(shì)阱結(jié)構(gòu)。在這樣的能帶結(jié)構(gòu)下，通過改變勢(shì)阱的厚度，可以設(shè)計(jì)不同探測(cè)波長(zhǎng)的量子阱紅外探測(cè)器。另外，通過改變勢(shì)壘和勢(shì)阱的成分，并在這個(gè)過程中保持極化匹配，將來還可以設(shè)計(jì)出不同深度的量子阱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)波段的量子阱紅外探測(cè)器。

3 結(jié)語(yǔ)
    利用自發(fā)極化和壓電極化的相互抵消作用，通過對(duì)GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，找到了可以極化匹配的GaN基多量子阱結(jié)構(gòu)，完成了GaN基量子阱紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)，為下一步實(shí)現(xiàn)GaN基量子阱紅外探測(cè)器做好了準(zhǔn)備。