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纳米结构增强红外探测器性能

2008-02-04 11:55
蓝林笑生
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    人们对快速、有效且无需冷却的探测器的渴求推动了几种新型红外器件的发展。在去年新墨西哥阿尔伯克基市召开的北美分子束外延(MBE)会议上,三种可双色工作的器件表现突出。

    这些器件可以用作民用和军用,包括夜视、医学诊断和用于环境监测的气体探测和天文观测。对于许多应用而言,其实就是选择哪种探测器执行什么任务的问题。微型热辐射探测器的响应速度很慢但能在室温下工作,而HgCdTe、InSb体晶和量子阱红外探测器的响应速度快却需要低温冷却。

    量子点红外探测器是一种颇有前景的器件,伊利诺斯大学香槟分校(UIUC)的Keh-Yung Cheng相信这些低维结构的器件将能同时拥有高速度和无需冷却的优点;相比于同类竞争的量子阱器件,它们具有对正入射的辐射强光响应性的优势。但是单个量子点层的探测效率低,仅仅通过简单地生长更多的量子点层来改正这个缺点并不容易,因为这将在外延层中产生应变位错。

    Cheng在制备量子线红外探测器当中,通过一种称作“应变诱导的横向层排列(SILO)”的工艺技术能够避免这一应变问题。通过生长短周期超晶格形成的线,它包括了交互的InAs层和GaAs层,拥有足够的应变来驱动原位横向成分调制,这些线的典型值为12.5nm高、10nm宽,密度为106cm-1。

    Cheng的研究小组使用SILO技术制备了几种不同的器件,包括一种由20个部分组成的探测器,其中每个部分都是含有10对InAs/GaAs短周期超晶格。

    为量子线的透射电子显微镜截面图,它是由UIUC的Cheng及其同事制备的。量子线使用应变诱导的横向层排列技术制备。来源:UIUC

    在外延层上,通过标准的光刻和湿法化学刻蚀技术制备了探测面积为150×150μm的探测器。

    这个器件的光谱响应位于6.3μm和4.1μm,分别是由束缚态到束缚态的跃迁和束缚态到连续态的跃迁而产生的。每个波长的响应强度取决于器件的偏压,最大值为3mA/W。Cheng指出:“这个器件提供了将两个或者三个探测器波长集成在一个结构中的可能性”。

    另一种红外探测器是采用阱中量子点(DWELL)设计,它所使用的量子点是嵌入到量子阱中的。这样的器件也产生双色响应,并能通过偏压来调制。但是,新墨西哥大学Sanjay Krishna研究组的成员Rajeev Shenoi称这种探测器的量子效率低。

    Shenoi解释说他和他的同事通过增加器件中的有效周期数目提升了效率。设计人员需要采
一种新的DWELL设计方法,通过减少In组分和优化量子点、阱宽度和覆盖层来将外延层的应变减至最小。在这个改良的结构中心是InAs量子点层,周围环绕着50nm厚的AlGaAs势垒层;中心生成的2.4个单原子层嵌在一个量子阱中,后者是由1nm厚InGaAs和6.85nm厚GaAs组成的。

    研究者制备的光电探测器具有410×410μm的台面结构,包括一些直径在25-300μm的圆形孔径,以及一个由30层优化的DWELL结构组成的有源区。这些器件是使用一个VG Semicon V80H型号的MBE设备在GaAs衬底上生长的,拥有不同的InGaAs盖层厚度。

    正如预想的一样,这些探测器产生了两种颜色的响应,灵敏波段分别位于8.9μm和10.5μm,分别源自从量子点到AlGaAs势垒的电子跃迁和量子点到GaAs肩部的电子跃迁。Shenoi表示,附加的1nm厚的InGaAs盖层提升了较短波长的响应度,但是对较长波长没有作用。当工作温度冷却到77K、偏压为4V的条件下,使用这种设计的探测器在8.9μm时获得的响应度为7.54A/W。他还说,在未来的计划中将包括集成这种器件到焦平面阵列并最优化势垒的宽度。

    另一种有前景的红外探测器是基于InAs/GaSb超晶格的,这种器件能够在高温下工作,由于在超晶格中电子的有效质量大,能够降低隧穿电流和俄歇复合率。

    据Krishna小组的成员Elena Plis称,标准超晶格探测器是基于光二极管设计的,受到了Shockey-Read-Hall中心和表面态的影响,这两个都是重要的噪声源。Plis称这些问题能够通过将其转为一个nBn结构来解决,该结构具有一个薄的n型窄禁带接触层、一个50-100nm厚的宽禁带电子势垒层和一个厚的n型窄禁带吸收层。

    nBn结构的发明者,来自美国纽约罗彻斯特大学的Shimon Maimon和Gray Wicks显着地提升了他们的InAs探测器的工作温度,Plis和他的同事正在努力将这一方法转用到他们的InAs/GaSb超晶格结构中。

    这些来自新墨西哥大学的研究者最初在碲掺杂的GaSb衬底上制备了nBn结构,该结构包含一个500nm厚的n型超晶格,一个100nm厚的未掺杂Al0.4Ga0.6Sb势垒层,一个2.5μm厚的未掺杂超晶格层和一个n型超晶格盖层。Plis强调说:“我们的nBn探测器的室温性能可以同一流水平的pin探测器相比较”。

    Plis和他的同事继续制备了结构相似的双色探测器,具有InAs/GaSb和InAs/InGaSb超晶格,截止波长分别位于4.5μm和8μm。当施加偏压时,每一个超晶格的相对响应都会发生显着的变化;在77K时通过对偏压进行调节,探测器在0-100mV范围内可以产生双色的响应。

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