GaN基量子阱紅外探測器的設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。考慮了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)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/量子">量子阱結(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基量子阱紅外探測器，為下一步實(shí)現(xiàn)GaN基量子阱紅外探測器做好了準(zhǔn)備。
關(guān)鍵詞：GaN；量子阱；紅外探測器；極化匹配

0 引言
紅外探測技術(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紅外探測器，使其開始應(yīng)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(dǎo)體的帶間吸收進(jìn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)室Levine小組首先報(bào)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(diǎn)是材料的均勻性好，器件制作工藝成熟，抗輻照能力強(qiáng)。對于大規(guī)模的焦平面陣列探測器，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存在的情況下存在著很強(qiáng)的內(nèi)建極化場。GaN基半導(dǎo)體材料總的宏觀極化場是平衡結(jié)構(gòu)的自發(fā)極化場與由于應(yīng)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(dǎo)致的應(yīng)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(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基量子阱紅外探測器設(shè)計(jì)
與以GaAs／AlGaAs為代表的傳統(tǒng)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(diǎn)：
(1)更簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于GaN系材料本身是寬禁帶材料，對可見光無響應(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。