基于量子阱子带间跃迁的红外探测器研究

基于量子阱子带间跃迁的红外探测器研究
荣新;王新强
【摘要】红外探测器广泛应用于夜视、热成像、通讯、制导、遥感控制等领域,在民用和军事上都有重要研究意义.本文从基本原理出发,介绍研究方法、实验设计思路及北京大学在本领域近年的研究进展,着重展示科研中遇到的困难及解决方法,力图以此引导研究性实验教学,为相关科研提供参考.
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2018(038)004
【总页数】10页(P1-9,15)
【关键词】子带间跃迁;红外探测器;量子阱结构;氮化物半导体;分子束外延
【作者】荣新;王新强
【作者单位】北京大学物理学院,北京 100871;北京大学物理学院,北京 100871【正文语种】中文
【中图分类】TN215
1 量子阱子带间跃迁的基本原理
1.1 红外探测器简介
红外探测器的发展历史[1]如图1所示，最早的红外探测器是利用红外线的热效应进行探测的，称为红外热探测器. 1940年前后，利用红外线光子效应的光电探测器逐渐成为主流，并在军事的需求促进下得以快速发展，红外光电探测器以碲镉汞
(MCT)和铟镓砷(InGaAs)等材料发展并逐渐成熟[1]. 红外探测器的响应波段可以针对不同的光谱范围，按照波长从短到长依次为近红外(NIR)、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)、长波红外(LWIR)、超长波红外(VLWIR)、太赫兹波(THz)等，波长越长的红外光光子能量越小，因此探测的难度也随之增大，器件制作成本大幅上升. 红外光电探测器按其探测原理可以分为光伏型和光导型2种：光伏型光电探测器利用光生伏特效应，在零偏压下仍有电信号响应；光导型光电探测器需要外加偏压，要考虑抑制暗电流以增加信噪比. 当前红外探测器已经发展至第三代探测器，以高空间分辨率和智能多色识别为显著特征，在超低暗电流、超宽谱探测、室温工作、小型化、柔性化等方面快速发展. 例如使用碲镉汞长波-中波红外双色探测器可以同时捕捉LWIR和MWIR波段信号，根据普朗克黑体辐射定律，不同温度的物体对应的辐射光子能量极值不同，双色探测意味着可以提高系统的探测能力，在导弹制导、预警以及目标追踪等方面意义重大，此外还包括红外-可见、红外-紫外等多种类型的双色探测器.
图1 红外探测器发展历史
1.2 子带间跃迁及其光电器件
由于碲镉汞和铟镓砷等红外材料的组分均匀性控制方面的难题不利于其大面积红外焦平面阵列成像，同时器件工作温度偏低限制了其器件小型化、低成本、便携等方面的应用和发展. 为此，近年发展了基于量子结构的子带间跃迁(Intersubband transition，ISBT)原理制备的红外探测器[2-3]. 通常LED、半导体激光器等光电器件均是依据带间跃迁(Interband transition)的原理制成. 与此不同，子带间跃迁是指电子(或空穴)在导带(或价带)量子阱中不同子带能级之间的跃迁，如图2所示. 从高能级到低能级的ISBT可用于制备发光器件，如量子级联激光器(QCL)等[4]，从低能级向高能级的ISBT可用于制备光电探测器，如光导型的量子阱红外探测器(QWIP)和光伏型的量子级联探测器(QCD)等[5-7]. 根据量子跃迁理论，ISBT需要
满足跃迁选择定则[2]，即ISBT只能吸收p光(TM光)，对s光(TE光)没有响应.
图2 子带间跃迁与带间跃迁原理比较
1.3 氮化物材料的子带间跃迁
Ⅲ族氮化物(Ⅲ-Nitride)半导体材料包括二元系材料[氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)等]、三元合金(InxGa1-xN和InxAl1-xN及AlxGa1-xN等)以及多元合金，属于第三代半导体材料[8-10]. GaN的晶体结构主要为六方纤锌矿结构，纤锌矿GaN的晶体结构和能带结构[8,9]如图3所示，从能带结构中可知GaN为宽
禁带半导体材料，禁带宽度为3.4 eV，为直接禁带半导体. 氮化物材料的发光特性较好，以其制备的蓝光LED引发了白光照明革命，当前LED光效高、亮度大、寿命长，大大节省了电力能源，减少了环境污染，日本科学家Akasaki(赤崎勇)等人因此贡献获得2014年诺贝尔物理学奖[11]. 同时，氮化物广泛应用于深紫外器件、太阳能电池、高电子迁移率晶体管(HEMT)、子带间跃迁器件等光电子器件或电子器件领域[12-14]. 由于纤锌矿氮化物中每个原子周围最近邻4个异类原子并不完
全对称，因此存在自发极化，同时由于异质外延等的应力的原因存在压电极化[8]，如Ga面[(0001)面]和N面面]为典型的极性面，沿该方向生长的量子阱具有很强
的极化场(～MV/cm)，如沿a面或m面生长，则为非极性面生长，量子阱中不存在极化场，同理r面为半极性面，晶格极性是氮化物中的重要属性，会大幅影响材料生长和器件性能.
(a)Ga面GaN (b)N面GaN
(c)能带结构图3 纤锌矿GaN的晶体结构和能带结构
当前基于ISBT的QWIP研究较成熟的体系为GaAs基材料[5]，然而其器件工作
通常需低温制冷，实现室温工作红外成像尚不成熟. GaN基材料属于宽禁带半导体材料，施主类型杂质电离能较大可有效抑制电子室温热激发，因此GaN基ISBT
红外探测可实现室温工作[15-16]. AlGaN带间跃迁可实现紫外探测，利用AlGaN
量子阱的ISBT可实现红外探测，因此采用单一氮化物体系可实现单片集成的紫外-红外双色探测[17]，如图4所示，通过AlGaN/GaN多量子阱ISBT实现红外探测，一定组分的AlGaN薄膜实现紫外探测，同时通过3个接触层防止紫外和红外信号的相互串扰. 氮化物ISBT的弛豫时间较小可制备超快器件，氮化物异质结构导带带阶大可实现几乎全红外波段光谱ISBT[18]，此外，氮化物半导体的物理、化学性质稳定，抗辐射性能强，适用于极端环境. 当前，氮化物ISBT研究主要在法国、瑞士、日本、美国、以色列、中国等国家开展研究，目前的研究热点是非极性面/半极性面材料生长和器件制备、紫外-红外双色探测器、提升中红外波段器件工作温度等. 目前已经取得了一定进展，但由于氮化物高的位错密度(c面GaN位错密度约为108 cm-2)导致较大的暗电流，同时强的极化场降低了载流子的纵向输运等原因仍然进展有限，需要深入研究其机理及相应解决方案. 本文主要研究3～5 μm大气窗口波段的氮化物ISBT及其QWIP器件.
图4 典型氮化物单片集成紫外-红外双色探测器结构
2 研究方法概述
2.1 氮化物材料的MBE生长方法
国际主流的Ⅲ族氮化物外延生长方法可分为3类：金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及氢化物气相外延(HVPE). MBE是远离平衡态的生长方式，生长温度低可有效防止界面原子互扩散，生长速度慢可实现原子级的精确控制，生长室真空度高适宜进行超高质量高纯材料的制备，在单原子层、数字合金、短周期超晶格、低密度量子点、纳米线量子结构等生长方面优势明显. 在量子力学中的有限深平底势阱等结构可以通过MBE生长半导体材料的方法完美实现，一种半导体材料对应一定的禁带宽度，如图2所示，当不同材料的界面达到单原子层的锐利度且存在导带带阶时，可以实现量子阱结构，其阱宽和势垒高度可以分别通过改变材料厚度和组分的方法实现. 但MBE是超高真空系统，设备维护成本
和材料制备成本较高. MBE是在20世纪60年代末美国贝尔实验室的A. Y.
Cho(卓以和)等人开创的[19]，常见的MBE系统一般包括真空系统、生长控制系统、原位监控系统、测试系统等，通过真空泵(机械泵、分子泵、离子泵、钛升华泵、低温泵等)创造超高真空生长环境，生长控制系统包含源炉(Cell)和相应的快门(Shutter)、控温系统、样品控制台等. 源炉中存放高纯源材料，通过控制Cell温度控制束流大小，通过控制Shutter精确控制源材料的生长顺序，原位表征系统主
要有反射高能电子衍射仪(RHEED)等，可以实时观察样品表面的生长模式. 材料生
长需要关注生长区间相图(Growth regime)，即材料制备过程中保持特定生长模式的条件范围，包括生长温度、源束流比例等，生长区间的掌握对于晶体生长极具指导性作用. GaN和AlN生长时通常考虑金属的再蒸发过程，在一定生长温度下控
制Ⅲ/Ⅴ束流比可导致不同的生长区间，可分为：富N生长区间(N-rich regime)、平衡态生长区间(Intermediate regime)和富金属-液滴生长区间(Droplet regime)，平衡态生长区间对生长最为有利，温度越高该生长窗口越大. InN情况与此不同，
通常需要考虑InN的分解，而生长温度下In金属的再蒸发很弱，主要考虑边界生长温度[20]，生长应维持在边界生长温度附近，大于该温度InN分解过程严重，
无法生长.
2.2 材料表征技术
Ⅲ族氮化物常用的表征方法有：原子力显微镜(AFM)表征样品表面微观形貌；X射线衍射(XRD)表征材料物相、晶体质量、应力以及多量子阱等信息. 拉曼谱(Raman)可表征声子振动模式、缺陷、层数成分鉴定、应力状态等；光致荧光谱(PL)、电致荧光谱(EL)和吸收谱(Photo-absorption)可表征材料能带性质；阴极荧光谱(CL)可空间分辨表征样品光学性质；同时大多数光学表征方法又可扩展为微区分辨、时间分辨、变温、变激发功率等模式. 扫描电子显微镜(SEM)表征纳米柱形貌、样品表
面开裂情况等；透射电子显微镜(TEM)表征样品局域晶体质量、缺陷等，表征量子
阱区域的界面锐利度，准确计算材料晶格常量及原子排布等.
常见AFM型号为Bruker Icon等. AFM工作模式有接触模式(contact mode)、非接触模式(non-contact mode)和轻敲模式(tapping mode). AFM除了可测试样品表面形貌外，常见的其他模式还有C-AFM(Conducting AFM)，开尔文探针力显微镜(Kelvin probe force microscopy, KPFM)等. 本文工作采用的XRD型号为Bruker D8 高分辨X射线衍射仪，X射线的波长是0.154 nm(Cu的Kα线). 对于半导体材料可认为XRD为材料无损表征技术，其工作原理可分为运动学理论和动力学理论，动力学理论常见的资料很少涉及，运动学理论即满足布拉格方程 . XRD 主要有3种模式，ω-2θ联动扫描、ω扫描(Rocking curve)、倒易空间图(RSM). 对于多量子阱(或超晶格)样品，ω-2θ扫描会出现卫星峰，从卫星峰和厚度干涉条纹通过拟合可以得到多量子阱的结构信息，如势垒组分和势阱厚度等. 通过0级卫星峰可以计算多量子阱的等效组分，但应注意0级卫星峰并不总是卫星峰中最强的峰，特殊情况下该峰甚至有可能消光，如理论计算表明，InN/AlN按4 nm/4 nm方式生长多周期将出现0级卫星峰消光，GaN/AlN按12.4 nm/12.4 nm方式生长也将出现0级卫星峰消光. 常见SEM型号为FEI NanoSEM 430等. 其原理是测试聚焦电子束(能量一般在5～35 keV)与样品相互作用发射出的低能二次电子(Secondary electron)信号. 由于衍射极限的原因，电子显微镜的分辨率远高于光学显微镜. SEM是在扫描线圈的驱动下在样品表面按一定顺序作栅网式扫描，因此其成像不是各像素同时成像，而是探头对样品不同位置逐个像素扫描得到的. 本文工作的TEM型号为Tecnai F30场发射透射电镜，并配置了EDS能谱模块，TEM 是通过面阵CCD成像的，因此其成像是同时成像，其原理可以和阿贝成像与空间滤波实验相比拟，分为实空间像和倒空间像. TEM根据光阑对衍射斑点的选取可分为明场像和暗场像，暗场像中的弱束暗场像可以大大提高成像质量.
TEM,XRD,RHEED彼此也有联系，他们都是晶格结构对电子衍射的结果.
2.3 ISBT红外探测器的制备及器件响应
首先通过傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)进行红外光吸收测试，如果其响应波段与设计一致可以考虑制备QWIP原型器件，如图5所示，器件的台面结构分为3步：
刻蚀台面、蒸镀电极和侧面钝化. 最后选取Ⅳ特性较好的样品进行红外光电流测试，红外光吸收和光电流测试的FTIR装置示意图如图6所示.
(a)台面工艺截面图
(b)器件测试示意图图5 氮化物红外探测器台面工艺
(a)红外光吸收测试装置
(b)红外光电流测试装置图6 FTIR红外光吸收和电流测试装置
FTIR的主要光学部件是迈克耳孙干涉仪[21-22]，光源通常为宽谱红外光源(复色光)，其发出的红外光入射到分光板(Splitter)上被分成2束，一束透射(T)到动镜上再反射(R)射向样品，另外一束反射(R)到定镜上再透射(T)射向样品，射向样品的光是2束干涉光：TR和RT. FTIR的频率分辨率可简单地认为是动镜扫描长度的2倍的倒数，如动镜扫描距离为5 cm时，分辨率为0.1 cm-1(～3 GHz)，与传统光栅分光相比FTIR既提高了分辨率又缩短了测量时间. 动镜有2种扫描模式，一种是
以恒定的速度运动，称为连续扫描或线性扫描，另一种是每运动到一个位置停留一段时间再运动到下一个位置，称为步进扫描(Step-scan). 为了放大光电流响应谱，通常需要结合斩波器和锁相放大器，由于斩波器机械斩波的调制频率有限，一般光电流谱测试时需要采用步进扫描模式. 研究型FTIR光谱仪一般配置外置光源入口
和光源输出窗口，以及外置电学信号入口和电学信号导出口. 随着动镜位置的变化，TR和RT干涉光相应的光程差随之变化，使得一系列频率的光干涉增强或减弱，
干涉光入射到样品时某些波长的光被吸收，探测器采集到含样品信息的电信号，该电信号的原始数据是响应信号随动镜实空间位置的变化，经软件傅里叶变换后就得到信号随波数的变化关系，即响应谱. 测光吸收和光电流时电信号的来源不同，测
光吸收时样品透射光通过系统自带的红外探测器(如低温制冷的MCT等)转化成电信号，测光电流时样品(即器件)直接产生电信号，或再通过锁相放大后形成信噪比增强的电信号.
实际测试中根据跃迁选择定则，ISBT只对p光有响应，对s光没有响应，在入射样品的p光与s光强度一致的情况下，以s光入射时的透射谱Is(λ)为参考，用p 光入射时的透射谱Ip(λ)与s光的透射谱Is(λ)相除，就可以扣除样品反射、光源随波长的强度分布、探测器随波长的响应谱的影响，进而可计算吸收系数谱α(λ)，设光线经过吸收区的有效路径为t，根据比尔朗伯定律有
Ip(λ)=I0exp [-αp(λ)t]，
Is(λ)=I0exp [-αRef(λ)t]，
可得
即吸收系数α(λ)正比于实际光电流信号很好时还可以进一步测试黑体谱，得到红外器件的比探测率D*、响应率R、响应时间τ以及量子效率η等特征参量.
3 实验研究进展
3.1 量子阱子带间跃迁的材料体系
制备有源区量子阱结构首先需要选取合适的材料，氮化物中主要有AlGaN/GaN，InAlN/GaN，GaN/InGaN等结构[23-25]，区别在于前两者GaN为势阱，后者GaN为势垒. 同时由于晶格结构中按照AlN,GaN,InN顺序晶格常量依次变大，因此高质量AlGaN相比于InAlN更易制备，MBE生长中二元材料相比于三元材料生长质量高，由于通常宽势垒结构中势垒的输运是主要考虑的，因此势垒采用二元GaN有一定的优势. 调制ISBT跃迁的能量可以通过调节量子阱的阱宽或势垒材料组分等方法实现，理论与实验研究表明改变阱宽时调制的幅度更明显，如图7所示，通过改变势阱宽度，ISBT能量可以在很大范围内调制. 图7(a)中为
AlGaN/GaN体系红外吸收谱，同时AlGaN薄膜部分的紫外吸收谱对应280 nm 日盲区，即实现了紫外-红外双色吸收，图7(b)为GaN/InGaN体系的红外吸收谱[24-25]，图中的吸收谱的测试需要对样品进行3个面的抛光，以实现波导结构.
(a)AlGaN/GaN体系红外吸收谱和AlGaN紫外吸收谱
(b)GaN/InGaN体系的红外吸收谱图7 光吸收谱
如果不进行多次优化，通常实验中测试的信号会很弱，解决方法是需要从材料制备和测试两方面找原因，比如材料制备方面考虑晶体生长质量、量子阱界面及周期控制、势阱n型掺杂浓度等是否合适，测试方面考虑优化最佳光路、适当的光阑遮挡、偏振片的控制、抛光的平整度等.
3.2 量子阱结构的设计及优化
电子吸收特定波段的红外光从基态跃迁到激发态，光激发电子在外加偏压下纵向输运形成光电流. 需要指出的是激发态的电子同样有机会弛豫回基态，而且除了光激发电子纵向输运外，势垒热激发电子纵向输运形成暗电流，基态电子纵向隧穿也贡献一小部分暗电流，器件设计的原则是要尽量提升光电流，抑制暗电流. 通常氮化物ISBT结构的设计为如图8(a)所示，这种结构中由于氮化物的极化场导致导带边倾斜，进而形成三角形势垒，基态载流子吸收红外线后优先跃迁到能量较低的态，此时三角形势垒不利于激发态电子的纵向输运，需要着重解决极化场问题[26].
(a)传统量子阱无偏压
(b)传统量子阱有偏压
(c)台阶量子阱无偏压
(d)台阶量子阱有偏压图8 氮化物量子结构的导带边及电子能级示意图
一种可能的解决方法是设计如图8(c)的台阶量子阱结构，在该结构中，基态载流子吸收红外线后直接跃迁到准连续态，而尖峰势垒厚度一般小于2 nm，便于载流子的纵向输运，同时平带势垒可以抑制暗电流增加信噪比. 平带势垒的形成需要基
于等效组分原理，即在AlGaN多层结构中保持平带势垒的Al组分与单周期平均
Al组分一致. 如图9[27]对不同材料厚度进行了分别计算，结果表明，当GaN厚
度为6～9 MLs(原子层)时，第二子带位于平带势垒之上，此时随着GaN厚度的增加量子限制效应减弱，第一子带能级下移，第二子带位置几乎不变，从而ISBT能量变大. 当GaN厚度≥10 MLs时，第二子带进入量子阱内，此时随着GaN厚度
的增加，第二子带比第一子带下移的幅度大，ISBT能量减小. 当GaN增大到26 MLs时，其ISBT能量为248 meV，ISBT能量减小的趋势逐渐减缓，此时由于极化效应各子带逐渐进入三角阱区域，增加阱宽对量子限制效应的影响已经不明显. 注意到GaN厚度≥10 MLs时，第二子带进入量子阱内，此时已经不适合做纵向
输运，台阶量子阱与传统MQWs相比的优势几乎消失，所以认为GaN厚度为
6～9 MLs比较合适. 综合考虑3～5 μm响应波段，设计生长了7～8MLs的样品，其TEM测试结果如图9(c). 图10根据等效组分原理进一步设计了新型台阶量子阱结构，该结构中形成了双能级共振，有利于电子的ISBT.
(a)台阶量子阱厚度优化计算
(b)ISBT能量随势阱厚度的变化
(c)AlGaN台阶量子阱的TEM图图9 AlGaN台阶量子阱结构的设计及材料生长
图10 新型台阶量子阱结构，存在双能级共振
3.3 量子阱结构对探测器输运性质的影响
制备红外探测器需要制备如图5(a)的台面结构，然后将其中的电极通过打线机等
方式引到相应导电板上，再在导电板上焊接必要的转接头，如图11所示，最后转接头与FTIR光谱检测设备相连接. 尽管目前氮化物已经实现室温近红外探测，但
氮化物中红外波段制备的红外器件响应通常很弱，如图6(b)所示，需要将器件放
置于低温腔室(Chamber)中进行测量，通常既可以测变温暗(光)电流IV特性，也
可以测变温FTIR红外光电流响应.
宽势垒量子阱对器件输运性质的影响[28]：如图12(b)所示，通过对比窄势垒结构和宽势垒结构，发现宽势垒结构中暗电流降低了约2个数量级，可以明显提高信
噪比. 从图12(a),(c),(d)可以发现，宽势垒量子阱中ISBT可以分成3种跃迁类型，分别为e1→E2，e1→E3，e1→E4，分别对应光吸收谱和光电流谱中的3个峰，
光吸收只需考虑ISBT，能量越低越容易发生ISBT，因此光吸收谱中e1→E2最强，光电流的产生既需要ISBT又需要电子纵向输运，而电子输运量子隧穿概率随势垒的变高呈指数规律衰减，因此光电流谱中e1→E4最强.
图11 氮化物红外探测器原型器件实物图及响应的探测单元
台阶量子阱对器件输运性质的影响[27]：如图13所示，台阶量子阱中电子的纵向
输运相对容易，光吸收和光电流谱中可以看到唯一响应峰，对应电子基态到准连续态的ISBT，其中，光吸收峰位为4 μm，光电流峰位为3.4 μm，光电流响应对应光吸收响应存在60 meV的蓝移. 综合分析认为其主要原因为：光吸收通常对应量子阱第一子带到第二子带的ISBT；而光电流可以对应第一子带到更高能级子带的ISBT，因为基态电子跃迁到更高的能级时，尽管吸收系数更小但有利于纵向输运，实际光电流的ISBT应主要取决于二者的平衡，即综合考虑吸收系数和纵向输运隧穿的最佳值，这与本结构中存在准连续态是一致的.
由于氮化物材料质量相对较差和极化场影响等原因，光电流的测试通常信号很弱，需要持续采谱约30～40 min. 从样品角度解决方法是采用自支撑衬底提高材料质
量或通过非极性面、半极性面生长等降低极化场. 其中非极性面和半极性面生长可以通过该衬底制备薄膜结构，也可以通过纳米柱结构生长，金属极性氮化物纳米柱结构的顶部通常为半极性面，侧面为非极性m面，而且纳米柱结构中由于应力释
放通常可以提高材料的晶体质量. 从测试角度解决方法是适当优化FTIR步进扫描
的速度、斩波器的转速、外置偏压的大小、优化光源与样品耦合、改变测试温度、
更换被测台面单元、优化器件台面工艺等.
(a)氮化物宽势垒结构的导带边及电子能级
(b)宽势垒与窄势垒暗电流的对比
(c)宽势垒结构的光吸收谱
(d)宽势垒结构的光电流谱图12 宽势垒量子阱对器件输运性质的影响
(a)氮化物台阶量子阱结构的导带边及电子能级
(b)台阶量子阱结构的光吸收和光电流谱图13 台阶量子阱对器件输运性质的影响
4 结束语
本文通过对ISBT结构中势垒厚度的研究降低了器件暗电流，提高了探测信噪比，通过台阶量子阱结构和纳米柱核-壳结构调制了极化场，部分解决了ISBT红外探
测中电子纵向输运难题，实现了氮化物3～5 μm红外探测器原型器件，同时验证了单片集成紫外-红外双色吸收. 该工作主要在北京大学宽禁带半导体研究中心完成，量子阱结构在北京大学MBE实验室生长制备.
开展科学研究通常面临结果未知或理论设计效果不理想等客观问题，要正确对待. 实验中会遇到材料生长和器件测试方面的各种难题，如果探测信号响应较弱或没有信号应该通过对比样品、控制变量等方法查看相应结果如何变化，或者通过估算、多维度优化、查文献、探讨交流等方式积极寻找原因，该过程有利于对研究对象的性质有基本的判断，提升实验技能、积累实验经验，为实验的后续进展做充分准备. 当前大学物理实验教学内容越来越注重综合性、设计性和研究性，让学生尽早掌握科学的研究方法、分析问题的思路和解决问题的能力，为学生以后独立开展科研创新做了准备，希望本文能对相关实验教学提供借鉴.
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