GaN基量子阱紅外探測器的設計

摘要：為了實現GaN基量子阱紅外探測器，利用自洽的薛定諤-泊松方法對GaN基多量子阱結構的能帶結構進行了研究?？紤]了GaN基材料中的自發(fā)極化和壓電極化效應，通過設計適當的量子阱結構，利用自發(fā)極化和壓電極化的互補作用，設計出了極化匹配的GaN基量子阱紅外探測器，為下一步實現GaN基量子阱紅外探測器做好了準備。
關鍵詞：GaN；量子阱；紅外探測器；極化匹配

0 引言
    紅外探測技術在軍用和民用上都具有重要的意義，在軍事方面的應用主要包括了目標獲取、監(jiān)視、夜視、制導等方面，在民用上主要包括了熱效率分析、遠程溫度感應、短距離無線通信、光譜學、天氣預報、天文學、森林防火、安防、醫(yī)療等方面。
    1962年Kruse和Rodat改進了HgCdTe紅外探測器，使其開始應用于單元探測器和線性陣列。HgCdTe紅外探測器是利用窄禁帶半導體的帶間吸收進行紅外。光探測的。由于該類材料中外延生長條件，即窗口比較窄，材料的均勻性不是很好，抗輻照能力差，因而使應用受到了一定的限制。另外一類紅外探測器是利用子帶吸收的量子阱紅外探測器，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，為紅外光的探測提供了新的思路。1988年貝爾實驗室Levine小組首先報道了GaAs／AlGaAs量子阱紅外探測器，與HgCdTe探測器相比，量子阱紅外探測器的優(yōu)點是材料的均勻性好，器件制作工藝成熟，抗輻照能力強。對于大規(guī)模的焦平面陣列探測器，這些優(yōu)點表現得更為明顯。

1 GaN基材料及器件
    GaN基半導體具有寬禁帶、直接帶隙、高電子飽和速度、高擊穿電壓、小介電常數等優(yōu)點。優(yōu)越的物理化學穩(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族化合物半導體材料，如六角立方結構的氮化物半導體材料中在沒有外電場存在的情況下存在著很強的內建極化場。GaN基半導體材料總的宏觀極化場是平衡結構的自發(fā)極化場與由于應力引起的壓電極化場之和。其中，壓電極化來源于材料中由于晶格失配而導致的應力，自發(fā)極化則來源于晶格中陽離子和陰離子的非對稱性。由于極化電場的存在，材料中形成了電荷的積累，使得半導體材料的能帶產生了彎曲，產生了鋸齒狀的能帶結構。
    目前，常用的GaN基器件主要包括了藍、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、綠光LED器件中，通常利用GaN／InGaN／GaN多量子阱結構作為有源發(fā)光層，而在GaN基HEMT器件中利用AlGaN／GaN異質結來形成導電溝道。極化效應在不同的器件中起到了不同的作用，在藍、綠光LED器件中，鋸齒狀的能帶彎曲抑制了載流子的輸運，降低了器件的效率；在GaN基HEMT器件中，可以利用AlGaN／GaN異質結極化場所產生的極化電荷作為導電溝道中的載流子，從而提高了器件的性能。

2 GaN基量子阱紅外探測器設計
    與以GaAs／AlGaAs為代表的傳統量子阱紅外探測器相比，GaN基量子阱紅外探測器具有如下優(yōu)點：
    (1)更簡單的系統結構。由于GaN系材料本身是寬禁帶材料，對可見光無響應，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、化學性質穩(wěn)定，暗電流低，抗輻射性能強，適用惡劣環(huán)境。
    (3)更快的響應速度。由于激子和聲子的相互作用，GaN系極性半導體中的光學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的數據通信。[!--empirenews.page--]
    貝爾實驗室在2000年第一個實現了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器的研究引起人們的關注，并成為目前紅外探測器研究的一個新熱點。當今國際上知名的幾個研究機構，例如貝爾實驗室、東芝公司等，都投入了大量的人力物力來研究這個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)計劃和壓電極化的互補作用，以此形成極化匹配的量子阱紅外探測器結構，避免了極化現象對器件性能的不利影響，提高了器件的效率。
    圖1給出了生長在GaN基板上的三元混晶AlGaN和InGaN隨著成分變化而導致的自發(fā)極化和壓電極化電荷密度變化情況。從圖1中可以看出，對于InGaN材料來說，壓電極化電荷和自發(fā)極化電荷的符號是相反的。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，如果選取適當的InAlGaN四元混晶材料，就可以設計出極化匹配的GaN基量子阱紅外探測器。

    在此，使用了自洽的薛定諤-泊松方法進行量子阱能帶結構的理論模擬。理論模擬中所使用的氮化物半導體GaN，InN和AlN的材料參數來源于文獻。除了帶隙參數外，四元混晶InAlGaN的材料參數使用下面的插值公式，由GaN，InN和AlN的材料參數得到：
   
    InAlGaN材料的帶隙參數由文獻中介紹的方法得到。
    首先對In0.1Ga0.9N／In0.226Al0.25Ga0.524N多量子阱結構進行了理論模擬，發(fā)現該結構的極化電荷不能抵消，其能帶結構的研究結果如圖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，導致了多量子阱能帶結構的改變，形成了鋸齒形的能帶結構。在這種情況下，由于導帶量子阱對電子限制作用的削弱，對于設計基于電子子帶間吸收的量子阱紅外探測器來說變得更加困難。

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    通過逐步調節(jié)量子阱勢壘的組分，最終發(fā)現In0.1Ga0.9N／In0.2Al0.3Ga0.5N多量子阱結構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基多量子阱結構的能帶結構如圖3所示。

    從圖中可以看出，在極化匹配的情況下，GaN基量子阱結構與傳統的GaAs基或InP基量子阱類似，在沒有外加電場時，都是矩形勢阱結構。在這樣的能帶結構下，通過改變勢阱的厚度，可以設計不同探測波長的量子阱紅外探測器。另外，通過改變勢壘和勢阱的成分，并在這個過程中保持極化匹配，將來還可以設計出不同深度的量子阱結構，實現不同探測波段的量子阱紅外探測器。

3 結語
    利用自發(fā)極化和壓電極化的相互抵消作用，通過對GaN基多量子阱結構的能帶結構進行研究，找到了可以極化匹配的GaN基多量子阱結構，完成了GaN基量子阱紅外探測器的設計，為下一步實現GaN基量子阱紅外探測器做好了準備。