红外光电子学中的新族_量子阱红外探测器

中国科学G辑:物理学力学天文学2009年第39卷第3期:336~343www.scichina.comphys.scichina.com336SCIENCEINCHINAPRESS红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器陆卫①*,李宁①,甄红楼①,徐文兰①,熊大元②*①中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海200083;②华东师范大学信息科学技术学院极化材料与器件教育部重点实验室,上海200241*联系人,E-mail:[e-mail],[e-mail]收稿日期:2008-10-28;接受日期:2009-01-19国家自然科学基金(批准号:10474020,10734090,60221502)和国家重点基础研究发展规划(编号:2004CB619004)资助项目摘要回顾了近10年基于半导体中量子限制效应红外探测器的进展.主要关注的是二维限制结构,即量子阱结构,形成的区别与传统红外光子探测的子带跃迁机理.在红外光电子领域作为新族的量子阱红外探测器(quantumwellinfraredphoto-detector,QWIP)与最典型的红外探测器代表碲镉汞红外探测器进行了各自特色的分析,包括基本工作机理和材料与器件的制备技术等方面.对于QWIP发展的回顾提升了与碲镉汞红外探测器之间的互补关系.也给出了对于QWIP在未来发展方面的基本趋势.关键词红外光电子学量子阱红外探测器研究进展发展趋势红外探测器是一种对于红外辐射进行高灵敏度感应的光电转换器件.早期的红外探测基于红外辐射的热效应.根据电子受光子激发后输运性能的差异制作的探测器称为光子探测器.目前以碲镉汞为代表的光子探测器已经获得了长足的发展.而与碲镉汞探测器有着不同量子机理的量子阱红外探测器正崭露头角.对物体热特征分布的探测是对红外辐射感知的必然发展.单元器件和二维机械扫描系统结合实现了第一代扫描成像探测技术,红外焦平面器件将机械扫描转换为电扫描,单个元器件演变为阵列器件,这就是第二代成像探测技术.在单元器件发展到阵列器件过程中,均匀性成为影响成像探测能力的关键.目前碲镉汞红外焦平面器件在红外成像探测技术领域内举足轻重,一如硅材料在微电子领域的地位.然而由于碲镉汞中Hg-Te结合键的相对脆弱,材料和器件制备技术始终难以象硅工艺那样得到精确控制,均匀性难度极大.QWIP器件的主导材料是砷化镓基半导体,材料与器件工艺仅次于硅工艺,均匀性可以高约1个数量级.当然,量子阱红外探测由其基本工作原理决定,量子效率比碲镉汞红外探测器要小近1个量级.QWIP在均匀性上的优势以及在量子效率上的劣势决定了它与碲镉汞红外探测器件两者必然处于一种互补状态.1983年Smith等人首次报道了光波导型多量子阱在在3~5µm和8~14µm的中红外区有潜在的探测应用前景[1].1985年West等人[2]首先观察到斜入射情况下GaAs/AlxGa1−xAs多量子阱有很强的红外光吸收.后来,Levine等人[3]研制出77K工作温度下峰值波长为8.3µm,探测率D*=1.0×1010cm·Hz1/2·W−1的QWIP.1991年探测器的峰值响应波长做到了11~15µm,50K工作温度下的探测率D*达到3.0×1010cm·Hz1/2·W−1[4].在单元器件探测率不断提升的同时,多元[5]、线列[6,7]和面阵[8~12]器件不断得以发展.近期美国Nasa报道了106象素的长波量子阱红外焦平面器件[13].256×256元双色红外探测器线阵,可同时探测中波和长波波段[14].640×480元双色红外探测器焦平面,可同时探测8~9µm和14~15µm红外波段[15].中国科学G辑:物理学力学天文学2009年第39卷第3期337而一种新型的QWIP-LED红外焦平面器件由Liu提出并实现,该方案巧妙地利用了硅CCD器件的成熟性和量子器件的可集成性,实现了对于QWIP红外焦平面器件的光学读出[16~18].1量子局域结构红外探测物理模型1.1红外光耦合特性由半导体异质材料组合而成的电子量子局域性限制结构中,QWIP的光吸收相应于量子阱子带间的跃迁.由于n型量子阱材料如GaAs中导带Г能谷电子的有效质量是各向同性的.器件对正入射辐射不吸收.虽然p型QWIP中由于轻重空穴能带的混合,可以吸收正入射光,但由于空穴的迁移率比电子要低得多.n型器件还是人们研究的重点,为了响应正入射光,必须使用光栅.图1(a)是量子阱焦平面器件所用的二维衍射光栅示意图.光从GaAs衬底正入射.图1n型QWIP及其衍射光栅结构(a)和散射矩阵计算中(b),光栅连同多量子阱层及GaAs衬底层一起被分成n层薄片散射矩阵方法的理论研究模型如图1(b)所示.图2显示了离开光栅反射面0.5µm时x,y平面的光场强度的分布.可以清楚地看到x,y平面不同位置的不同衍射强度具有由波长决定的周期性.进一步计算表明光场同时沿z方向离开光栅反射面衰减.Fu等人[19,20]运用惠更斯原理将上述现象归为界面的近场效应.图2离开光栅反射面0.5µm时xy平面上的衍射光场分布研究表明当光栅台面上光阑和非光阑两部分面积近似相等时,耦合效率最大.因为此时从两个面反射回来的光场强度相等.选取光栅深度可以让对耦合没有贡献的(0,0)级的衍射光波发生干涉相消,主要能量转移到高阶次的衍射光波,显著增强了量子阱光栅的耦合效率.1.2暗电流与光电流AlGaAs势垒区一般不掺杂,载流子浓度很低,电场可以近似为常数;而量子阱中的载流子浓度很高,加之掺杂,其中的电场可以忽略.图3为对甚长波QWIP计算得到的电子从发射极到第一个量子阱的输运几率以及相应电子态的占据几率.由于势垒层很厚,暗电流主要来源于能量高于势垒边的热激发电子[21].QWIP中的电流由两部分组成:(ⅰ)热电子从势垒边激发后从一个量子阱区输运到下一个量子阱区形成暗电流;(ⅱ)基态电子光激发到激发态形成光生载流子,然后在外电压下形成光电流.两者的实验测量值如图4所示,图4同时显示了与实验符合良好的理论计算结果.近来,人们又发展了若干新的自恰计算模型.例陆卫等:红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器338图3电子从发射极到第一个量子阱的输运几率以及相应电子态的占据几率如文献[22]获得的暗电流计算值与实验吻合很好,还显示了电场在整个器件结构上的非均匀分布.另一种自洽计算显示了发射极与量子阱活动层界面上会形成一个小三角形阱,载流子在三角阱中聚集,很好地解释了甚长波多量子阱探测器在小偏压下暗电流较小的实验结果[23].2QWIP研制QWIP的研制离不开其具体应用背景.如激光雷达中激光信号需要快速响应,而空间低温目标是冷背景.因此在量子阱掺杂浓度、势垒宽度、光敏元几何结构、读出电路的功能、制冷封装等方面会有不同的研制目标.如何使用独特的量子剪裁效应,做到某种程度的柔性匹配是研制中需要考虑的问题.2.1QWIP材料制备QWIP材料的方法有两种,分子束外延和金属氧化物化学气相沉积.前者量子结构可在原子层尺度上严格可控,但比较容易形成微缺陷;后者的微缺陷密度低,可以进行小批量生产应用.GaAs/AlGaAs多量子阱结构材料可调节的参数包括:量子阱宽度,势垒高度,量子阱中的掺杂浓度,量子阱周期数,势垒宽度等.参数优化的目的在于最大程度提升光电流、降低暗电流.光电流是电子从基态激发到激发态并在电场驱动下漂移到电极过程的串连;而暗电流之一是冷背景下就具有的纯粹电学意义上的暗电流,来自量子阱内基态上的电子和电极费米面附近电子,通过隧穿过程和热辅助过程形成电流;之二是观测目标外的背景辐射形成的电流.当背景引起的暗电流开始上升到与电学意义暗电流相等时,探测器就进入了背景限红外探测的工作模式.下面分别论述诸参数的设计.调节量子阱的宽度和垒高,在满足探测波长要求的情况下,可以将第一激发态调制到与势垒边共振的准束缚态,使光生载流子有最大迁移到电极的能力以增加光电流;同时让基态能量离势垒最远,抑图4甚长波QWIP样品的光电流谱(a)和暗电流曲线(b)三角点线为实验测量的结果,实线为理论计算的结果中国科学G辑:物理学力学天文学2009年第39卷第3期339制暗电流.量子阱中掺杂浓度由增大吸收系数、降低暗电流两者的平衡所决定.高掺杂浓度会形成较大的吸收系数,增大量子效率,但同时也形成较大的暗电流,导致较大的噪声.作为一种普遍参考的标准,GaAs/AlGaAsQWIP要获得最佳的探测率,其掺杂浓度所对应的费米能级约为2KBT;而要获得最高的背景限工作温度,则需要有约为KBT的费米能级.它们所对应的掺杂浓度分别约为5×109T·cm−2和2.5×109T·cm−2.量子阱周期数的设计要兼顾材料的制备能力.周期数越多,吸收率越大,但材料厚度越大,外延材料的质量也就越低.当然吸收率的大小并非完全由量子阱周期数决定,还与器件的几何结构和光学耦合途径密切有关,优化的目的是获得最少周期数下的最大吸收率.大的势垒宽度可以抑制器件中上述电学意义的暗电流,特别可以抑制隧穿电流.在室温背景下,背景红外辐射光激发的暗电流约在10−5~10−4A/cm2量级.由量子阱间的传输几率以及隧穿频率计算可得,9µm探测器背景限的势垒厚度约在20~30nm.2.2QWIP光敏芯片光栅的几何结构设计直接影响了探测器的量子效率,既由器件光学、电学特性以及相应读出电路等因素决定,但要受到刻蚀精度、几何均匀性和光学串音等工艺条件的制约.设计还必然注意到光敏元、光栅的几何尺寸与探测光的波长相近这个重要因素.光敏元芯片制备的基本工艺流程为:清洗→光栅光刻→光栅腐蚀→台面光刻→台面腐蚀→电极光刻→蒸发电极→合金化→中间测试→介质生长→In柱生长→切片→与读出电路互联→减薄→封装测试,如图5所示.在这些工艺中,针对材料自身结构的各向异性,选择各向异性不明显的刻蚀方法和刻蚀速度以确保刻蚀均匀性尤为重要.这样才能保持QWIP最突出的均匀性优势.其他很多工艺与传统的碲镉汞红外焦平面器件工艺技术相兼容.因此量子阱红外焦平面的技术平台可以和碲镉汞红外焦平面技术平台密切联系甚至融合.2.3读出电路光敏元芯片将红外光信号转换为电信号后,必图5器件工艺流程示意图陆卫等:红外光电子学中的新族——量子阱红外探测器340须有效读出并送入显示系统才能最终完成成像探测.20世纪70年代末,单片器件和铟柱互联工艺促进了读出电路的发展,使光电探测器与第一级放大器的引线长度大大减短,有效地减小了电磁干扰和长线引入的噪声,改善了信噪比和响应速度,有效降低了致冷的热负载,其可靠性远高于分立元件组成的系统.随着红外焦平面技术的发展,读出电路已成为影响焦平面性能一个的非常重要方面.2.4互联封装完成探测器面阵和硅读出电路的制备后,通过生长In柱实现互联,构成完整的焦平面探测器.由于QWIP必需在低温下工作,因此芯片必需封装在杜瓦瓶中.QWIP的封装虽然可以采用碲镉汞红外探测器相对成熟的封装技术,但由于器件对温度的敏感性远大于碲镉汞器件,所以需要特别注意热传导问题.信号引线的数量尽可能少,以减小热负载.如果处理不当,引线会消耗50%以上的制冷量.同时还需要采用冷屏和红外滤光片,以降低背景辐射导致的器件暗电流.2.5焦平面器件性能测试与红外成像单元红外探测器的基本特性由探测率和响应率两个基本物理量表达.而焦平面器件对不同的应用需求,所关注的重点是不同的,因而给制定焦平面器件测量的统一测试标准带来了困难.我国曾于1995年形成过“焦平面探测器测试与评价”草案.相对于单元器件,焦平面器件测试主要引入了表征均匀性的参数.其实考察焦平面器件性能的最直观方法就是热成像.通过热成像的图像灰度级和分辨率直观感知器件的基本性能.我们曾在1994年用128元线列长波QWIP得到了手掌下第十张纸上的残留热像.其时碲镉汞红外焦平面器件还不能在长波段实现热成像.量子阱红外焦平面器件在中国应用部门的研究也由此而启动.作为对于焦平面器件关于应用上适用性的最直观体现就是进行红外焦平面器件的热成像,人们可以通