GaN基量子阱红外探测器的设计

摘要：为了实现GaN基量子阱红外探测器，利用自洽的薛定谔-泊松方法对GaN基多量子阱结构的能带结构进行了研究。考虑了GaN基材料中的自发极化和压电极化效应，通过设计适当的量子阱结构，利用自发极化和压电极化的互补作用，设计出了极化匹配的GaN基量子阱红外探测器，为下一步实现GaN基量子阱红外探测器做好了准备。
关键词：GaN；量子阱；红外探测器；极化匹配

0 引言
    红外探测技术在军用和民用上都具有重要的意义，在军事方面的应用主要包括了目标获取、监视、夜视、制导等方面，在民用上主要包括了热效率分析、远程温度感应、短距离无线通信、光谱学、天气预报、天文学、森林防火、安防、医疗等方面。
    1962年Kruse和Rodat改进了HgCdTe红外探测器，使其开始应用于单元探测器和线性阵列。HgCdTe红外探测器是利用窄禁带半导体的带间吸收进行红外。光探测的。由于该类材料中外延生长条件，即窗口比较窄，材料的均匀性不是很好，抗辐照能力差，因而使应用受到了一定的限制。另外一类红外探测器是利用子带吸收的量子阱红外探测器，通过能带工程的方法，利用量子阱的子带跃迁来吸收红外光。这种方法不受材料本身禁带宽度的限制，为红外光的探测提供了新的思路。1988年贝尔实验室Levine小组首先报道了GaAs／AlGaAs量子阱红外探测器，与HgCdTe探测器相比，量子阱红外探测器的优点是材料的均匀性好，器件制作工艺成熟，抗辐照能力强。对于大规模的焦平面阵列探测器，这些优点表现得更为明显。

1 GaN基材料及器件
    GaN基半导体具有宽禁带、直接带隙、高电子饱和速度、高击穿电压、小介电常数等优点。优越的物理化学稳定性，使其可以在苛刻的条件下工作，适合制备多种器件。其中，四元混晶InAlGaN的带隙，随着各组成组分的调整可在0．7～6．2 eV范围连续变化。
    不同于其他的III-V族化合物半导体材料，如六角立方结构的氮化物半导体材料中在没有外电场存在的情况下存在着很强的内建极化场。GaN基半导体材料总的宏观极化场是平衡结构的自发极化场与由于应力引起的压电极化场之和。其中，压电极化来源于材料中由于晶格失配而导致的应力，自发极化则来源于晶格中阳离子和阴离子的非对称性。由于极化电场的存在，材料中形成了电荷的积累，使得半导体材料的能带产生了弯曲，产生了锯齿状的能带结构。
    目前，常用的GaN基器件主要包括了蓝、绿光发光二极管(LED)器件和GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。在蓝、绿光LED器件中，通常利用GaN／InGaN／GaN多量子阱结构作为有源发光层，而在GaN基HEMT器件中利用AlGaN／GaN异质结来形成导电沟道。极化效应在不同的器件中起到了不同的作用，在蓝、绿光LED器件中，锯齿状的能带弯曲抑制了载流子的输运，降低了器件的效率；在GaN基HEMT器件中，可以利用AlGaN／GaN异质结极化场所产生的极化电荷作为导电沟道中的载流子，从而提高了器件的性能。

2 GaN基量子阱红外探测器设计
    与以GaAs／AlGaAs为代表的传统量子阱红外探测器相比，GaN基量子阱红外探测器具有如下优点：
    (1)更简单的系统结构。由于GaN系材料本身是宽禁带材料，对可见光无响应，不需要滤波装置。
    (2)高稳定性和宽适用范围。由于GaN系材料的物理、化学性质稳定，暗电流低，抗辐射性能强，适用恶劣环境。
    (3)更快的响应速度。由于激子和声子的相互作用，GaN系极性半导体中的光学过程很大程度上受到LO声子的影响，因此子带电子的弛豫过程非常快(寿命大概是140～400μs)，可以用于Tb／s的数据通信。
    贝尔实验室在2000年第一个实现了GaN／AlGaN量子阱中的子带间跃迁，使GaN基材料在红外量子阱探测器的研究引起人们的关注，并成为目前红外探测器研究的一个新热点。当今国际上知名的几个研究机构，例如贝尔实验室、东芝公司等，都投入了大量的人力物力来研究这个材料体系中的红外光吸收特性。本文主要研究了如何利用GaN基材料中自发计划和压电极化的互补作用，以此形成极化匹配的量子阱红外探测器结构，避免了极化现象对器件性能的不利影响，提高了器件的效率。
    图1给出了生长在GaN基板上的三元混晶AlGaN和InGaN随着成分变化而导致的自发极化和压电极化电荷密度变化情况。从图1中可以看出，对于InGaN材料来说，压电极化电荷和自发极化电荷的符号是相反的。另外，相比于InGaN材料的压电极化电荷密度，AlGaN材料的压电极化电荷密度和自发极化电荷密度都小很多。因此，如果选取适当的InAlGaN四元混晶材料，就可以设计出极化匹配的GaN基量子阱红外探测器。

    在此，使用了自洽的薛定谔-泊松方法进行量子阱能带结构的理论模拟。理论模拟中所使用的氮化物半导体GaN，InN和AlN的材料参数来源于文献。除了带隙参数外，四元混晶InAlGaN的材料参数使用下面的插值公式，由GaN，InN和AlN的材料参数得到：
   

    InAlGaN材料的带隙参数由文献中介绍的方法得到。
    首先对In0.1Ga0.9N／In0.226Al0.25Ga0.524N多量子阱结构进行了理论模拟，发现该结构的极化电荷不能抵消，其能带结构的研究结果如图2所示。从图中可以看出，在该材料体系中，由于极化电荷的存在，导致了多量子阱能带结构的改变，形成了锯齿形的能带结构。在这种情况下，由于导带量子阱对电子限制作用的削弱，对于设计基于电子子带间吸收的量子阱红外探测器来说变得更加困难。

    通过逐步调节量子阱势垒的组分，最终发现In0.1Ga0.9N／In0.2Al0.3Ga0.5N多量子阱结构中的极化电荷基本可以抵消，也就是说，做到了极化匹配。极化匹配的GaN基多量子阱结构的能带结构如图3所示。

    从图中可以看出，在极化匹配的情况下，GaN基量子阱结构与传统的GaAs基或InP基量子阱类似，在没有外加电场时，都是矩形势阱结构。在这样的能带结构下，通过改变势阱的厚度，可以设计不同探测波长的量子阱红外探测器。另外，通过改变势垒和势阱的成分，并在这个过程中保持极化匹配，将来还可以设计出不同深度的量子阱结构，实现不同探测波段的量子阱红外探测器。

3 结语
    利用自发极化和压电极化的相互抵消作用，通过对GaN基多量子阱结构的能带结构进行研究，找到了可以极化匹配的GaN基多量子阱结构，完成了GaN基量子阱红外探测器的设计，为下一步实现GaN基量子阱红外探测器做好了准备。