GaN基量子阱紅外探測器的設計

摘要：為了實(shí)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(jìn)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(guò)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(shí)現GaN基量子阱紅外探測器做好了準備。
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，在軍事方面的應用主要包括了目標獲取、監視、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(wú)線(xiàn)通信、光譜學(xué)、天氣預報、天文學(xué)、森林防火、安防、醫療等方面。
1962年Kruse和Rodat改進(jìn)了HgCdTe紅外探測器，使其開(kāi)始應用于單元探測器和線(xiàn)性陣列。HgCdTe紅外探測器是利用窄禁帶半導體的帶間吸收進(jìn)行紅外。光探測的。由于該類(lèi)材料中外延生長(cháng)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(lèi)紅外探測器是利用子帶吸收的量子阱紅外探測器，通過(guò)能帶工程的方法，利用量子阱的子帶躍遷來(lái)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(diǎn)是材料的均勻性好，器件制作工藝成熟，抗輻照能力強。對于大規模的焦平面陣列探測器，這些優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。優(yōu)越的物理化學(xué)穩定性，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(zhù)各組成組分的調整可在0．7～6．2 eV范圍連續變化。
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(méi)有外電場(chǎng)存在的情況下存在著(zhù)很強的內建極化場(chǎng)。GaN基半導體材料總的宏觀(guān)極化場(chǎng)是平衡結構的自發(fā)極化場(chǎng)與由于應力引起的壓電極化場(chǎng)之和。其中，壓電極化來(lái)源于材料中由于晶格失配而導致的應力，自發(fā)極化則來(lái)源于晶格中陽(yáng)離子和陰離子的非對稱(chēng)性。由于極化電場(chǎng)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(chǎn)生了彎曲，產(chǎn)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(zhì)結來(lái)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(zhì)結極化場(chǎng)所產(chǎn)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(diǎn)：
(1)更簡(jiǎn)單的系統結構。由于GaN系材料本身是寬禁帶材料，對可見(jiàn)光無(wú)響應，不需要濾波裝置。
(2)高穩定性和寬適用范圍。由于GaN系材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩定，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(xué)過(guò)程很大程度上受到LO聲子的影響，因此子帶電子的弛豫過(guò)程非?？?壽命大概是140～400μs)，可以用于Tb／s的數據通信。