InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器量子效率計(jì)算研究

張 磊，張 亮，張小雷，姚官生，彭震宇

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InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器量子效率計(jì)算研究

張 磊，張 亮，張小雷，姚官生，彭震宇

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099）

首先分析了量子效率計(jì)算的相關(guān)理論，然后分析利用紅外中波InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格材料進(jìn)行光伏探測(cè)器研制，在對(duì)器件進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試及光譜響應(yīng)測(cè)試基礎(chǔ)上，利用理論分析和測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算出研制器件的實(shí)際電流響應(yīng)率，再將實(shí)際電流響應(yīng)率與理論分析的電流響應(yīng)率相比，同時(shí)消除芯片表面SiO2鈍化層光學(xué)透過(guò)率的影響，計(jì)算出器件對(duì)紅外波段2～6mm輻射響應(yīng)的量子效率最高可達(dá)35%，達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)型器件響應(yīng)的量子效率指標(biāo)。本文的研究為評(píng)價(jià)InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換性能提供了一種有效的方法。

InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格；電性能測(cè)試；光譜響應(yīng)；電流響應(yīng)率；量子效率

0 引言

InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格是20世紀(jì)80年代興起的新型本征吸收窄禁帶半導(dǎo)體材料，由于獨(dú)特的“破帶隙”能帶結(jié)構(gòu)，使得其具有量子效率高、暗電流小、電子有效質(zhì)量大、帶隙可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，從問(wèn)世以來(lái)一直得到關(guān)注，被認(rèn)為是第三代紅外探測(cè)器技術(shù)最佳選擇之一。InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格探測(cè)器具有超越HgCdTe探測(cè)器的性能和QWIPs探測(cè)器的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的HgCdTe材料相比，InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格最大的優(yōu)點(diǎn)是外延層厚度薄，晶格穩(wěn)定性好，工藝重復(fù)性和器件均勻性、穩(wěn)定性容易保證，對(duì)于雙色器件，容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多電極器件結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，在材料制備、器件研制方面均取得了很大進(jìn)展。

量子效率是衡量探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換性能的一個(gè)重要指標(biāo)。國(guó)外較早地對(duì)InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格器件的量子效率開(kāi)展了研究工作[1-5]，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究工作落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，但是也取得了較大進(jìn)展[6-8]。

超晶格紅外探測(cè)器屬內(nèi)光電器件，其量子效率是指入射光子轉(zhuǎn)化為器件材料體系內(nèi)電子空穴對(duì)的比例。目前的技術(shù)條件下，對(duì)于研制的超晶格器件，難以具體統(tǒng)計(jì)出實(shí)際入射的光子數(shù)和產(chǎn)生的電子空穴對(duì)數(shù)，一般是利用一定的手段宏觀測(cè)量其電學(xué)輸出，再進(jìn)行計(jì)算分析。本文以實(shí)際研制的InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格紅外中波探測(cè)器為基礎(chǔ)，通過(guò)量子效率計(jì)算的理論分析、器件研制分析、器件測(cè)試及測(cè)試數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算，得到了器件的量子效率，可客觀地評(píng)價(jià)器件的光電轉(zhuǎn)換性能。

1 理論分析

由紅外探測(cè)器量子效率的定義[9]出發(fā)，研制器件的量子效率可通過(guò)器件測(cè)試得到的電流響應(yīng)率iTest()與其理論電流響應(yīng)率iTheo()的比值得到，如公式(1)：

QE()＝iTest()/iTheo() (1)

InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格中波紅外探測(cè)器研制以后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可得到其黑體電流響應(yīng)率ibb，利用光譜儀可測(cè)得器件的光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)SR()。利用黑體輻射的普朗克定律及斯忒藩-玻爾茲曼定律可計(jì)算出器件響應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)換系數(shù)，如公式(2)、(3)所示[10-11]，再由轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算出器件響應(yīng)的峰值電流響應(yīng)率iPeak，如公式(4)，最后利用器件的峰值電流響應(yīng)率計(jì)算出器件在響應(yīng)波段范圍內(nèi)實(shí)際的電流響應(yīng)率iTest()，如公式(5)[12]：

式中：為波長(zhǎng)；1為第一輻射常數(shù)，1＝2p2＝3.741382×10－16W×m2；2為第二輻射常數(shù)，2＝/＝1.438786×10－2m×K；是普朗克常數(shù)，＝6.626176×10－34J×s；是玻爾茲曼常數(shù)，＝1.380662×10－23J×K－1。

式中：b＝4是黑體輻射的斯忒藩-玻爾茲曼定律；是斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)，＝5.67032×10－8W×m－2×K－4；SR()是器件測(cè)試的相對(duì)光譜響應(yīng)。

iPeak＝ibb×(4)

iTest()＝iPeak×SR() (5)

器件在響應(yīng)波段范圍內(nèi)理論電流響應(yīng)率iTheo()的計(jì)算是從電流響應(yīng)率的定義式出發(fā)得到的，如公式(6)所示

式中：為電子電量，＝1.6×10－19C；是普朗克常數(shù)；是光子頻率，與光速和波長(zhǎng)的關(guān)系為＝c/；是時(shí)間內(nèi)器件產(chǎn)生的電子數(shù)量；是時(shí)間內(nèi)入射到器件的光子數(shù)量，理想情況下二者相等，即＝，所以式(6)簡(jiǎn)化成式(7)，由式(7)可計(jì)算出響應(yīng)波段內(nèi)的理論電流響應(yīng)率的值：

將公式(5)和公式(7)代入公式(1)即可計(jì)算器件的量子效率。

2 器件研制分析

在分子束外延（MBE）設(shè)備生長(zhǎng)的InAs/GaSb中波紅外超晶格材料基礎(chǔ)上開(kāi)展工藝試驗(yàn)，進(jìn)行器件研制。工藝試驗(yàn)流程如圖1所示，研制出的中波紅外器件二極管結(jié)構(gòu)如圖2所示，芯片形貌如圖3所示，其中包含有多種尺寸的光敏元。

3 性能測(cè)試

將研制的InAs/GaSb超晶格探測(cè)器芯片裝配金屬杜瓦后進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試，包括信號(hào)電壓測(cè)試、噪聲電壓測(cè)試及光譜響應(yīng)測(cè)試等。

圖1 InAs/GaSb中波紅外探測(cè)器研制工藝流程

圖2 InAs/GaSb中波紅外二極管結(jié)構(gòu)

圖3 InAs/GaSb中波紅外探測(cè)器芯片形貌

信號(hào)電壓S和噪聲電壓N的測(cè)試條件為：①黑體溫度：500K；②黑體光闌孔直徑：4mm；③黑體孔徑到探測(cè)器光敏面距離：24cm；④測(cè)試系統(tǒng)反饋?zhàn)杩梗?MW；⑤測(cè)試偏壓方式：零偏。

探測(cè)器的工作溫度為77K，同時(shí)為了更加全面地反映器件在中紅外波段的響應(yīng)特性，我們?cè)?mm～6mm范圍內(nèi)對(duì)器件進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試、光譜響應(yīng)測(cè)試及量子效率的計(jì)算分析。

在此，選擇一個(gè)尺寸為400mm×400mm的光敏元作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行信號(hào)電壓測(cè)試和噪聲電壓測(cè)試，并對(duì)應(yīng)地進(jìn)行了黑體電流響應(yīng)率的轉(zhuǎn)換，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格二極管電性能測(cè)試結(jié)果

利用傅里葉光譜儀對(duì)器件進(jìn)行光譜響應(yīng)測(cè)試，測(cè)試曲線如圖4所示。

圖4 InAs/GaSb超晶格芯片光譜響應(yīng)測(cè)試曲線

4 量子效率計(jì)算分析

根據(jù)研制的InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格二極管電性能測(cè)試結(jié)果，下面對(duì)器件的量子效率進(jìn)行計(jì)算分析。

由表1的測(cè)試結(jié)果，尺寸為400mm×400mm的二極管對(duì)黑體輻射產(chǎn)生的信號(hào)電壓S＝5.26mV，電流響應(yīng)率ibb＝0.0865A/W。根據(jù)圖4中器件的光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)，利用公式(3)可計(jì)算得到器件的峰值轉(zhuǎn)換系數(shù)＝29.174，從而器件的峰值響應(yīng)率iPeak＝2.524A/W，再利用公式(5)，即可得到二極管實(shí)際測(cè)試的電流響應(yīng)率iTest()。

利用公式(6)和公式(7)，可計(jì)算得到器件在2～6mm波段內(nèi)的理論電流響應(yīng)率iTheo()，再利用公式(1)即可計(jì)算出器件的量子效率。

這里需要注意的是，InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格芯片在實(shí)際進(jìn)行上述測(cè)試時(shí)，其表面有一層鈍化層，鈍化層對(duì)紅外輻射有一定的光學(xué)透過(guò)率，因此在計(jì)算分析器件量子效率時(shí)，要消除鈍化層光學(xué)透過(guò)率對(duì)器件量子效率的影響。

上述器件研制時(shí)，使用CVD生長(zhǎng)SiO2薄膜作為鈍化層，鈍化層厚度為410nm。從結(jié)構(gòu)上分析，記空氣折射率為0，SiO2鈍化層光學(xué)薄膜折射率和厚度分別為1和1，InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格基底材料的折射率為2，對(duì)應(yīng)的值分別為0＝1.0，1＝1.47，1＝410nm，2＝3.6。下面分析SiO2鈍化層對(duì)2～6mm波段紅外輻射的光學(xué)透過(guò)率()。

因?yàn)樾酒砻嬷挥幸粚覵iO2鈍化層光學(xué)薄膜，對(duì)應(yīng)膜系的特征矩陣簡(jiǎn)化為[13]：

膜系的位相厚度1為：

將對(duì)應(yīng)的值代入公式(8)即可計(jì)算紅外輻射通過(guò)SiO2鈍化層的傳播特性，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出紅外輻射通過(guò)SiO2鈍化層光學(xué)薄膜后的反射率()為：

從而可以計(jì)算出紅外輻射通過(guò)鈍化層后的透過(guò)率()，即

()＝1－() (11)

通過(guò)上述分析和計(jì)算，得到2～6mm波段紅外輻射通過(guò)SiO2鈍化層后的光學(xué)透過(guò)率曲線如圖5所示。

圖5 紅外輻射通過(guò)超晶格芯片鈍化層的透過(guò)率

綜合理論分析和實(shí)際影響因素，得到研制的InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格器件量子效率為：

通過(guò)上述測(cè)試和計(jì)算，得到器件的量子效率曲線如圖6所示。由圖可見(jiàn)，研制的InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格中波紅外器件量子效率最高可達(dá)35%，通過(guò)與國(guó)外研究機(jī)構(gòu)同類(lèi)型器件的量子效率[14]相比，如圖7所示，表明我們研制的器件在光電轉(zhuǎn)換效率方面與國(guó)外達(dá)到相當(dāng)?shù)乃健?/p>

圖7 國(guó)外同類(lèi)型InAs/GaSb超晶格器件量子效率曲線

5 結(jié)論

本文在分析InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格紅外探測(cè)器量子效率計(jì)算相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)紅外中波器件研制分析和性能參數(shù)測(cè)試，利用實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了器件量子效率的計(jì)算分析，為客觀地評(píng)價(jià)超晶格紅外探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換性能提供了一種有效的方法。

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Research on Calculation of Quantum Efficiencyof InAs/GaSb TypeⅡ Superlattice IR Detectors

ZHANG Lei，ZHANG Liang，ZHANG Xiaolei，YAO Guansheng，PENG Zhenyu

(,471099,)

In the paper, theory of calculation of quantum efficiency is analyzed first, then photovoltaic (PV) detectors are fabricated with medium wave (MW) InAs/GaSb typeⅡ super lattice is analyzed. Based on the test results of electrical parameters and spectral response of the photodiode, actual current responsivity is calculated. Then the actual current responsivity is divided by theoretical current responsivity, and the influence of optical transmittance of SiO2passivation layer is considered simultaneously, so the quantum efficiency of InAs/GaSb type Ⅱ super lattice photodiode can be obtained. The peak quantum efficiency of photodiode can reach up to 35% between 2mm and 6mm, which is comparative to the results of photodiodes abroad with the similar type. The research provides an effective method to evaluate the photoelectric conversion performance of InAs/GaSb type Ⅱ superlattice detectors objectively.

InAs/GaSb type Ⅱ superlattice，electrical parameters test，spectral response，current responsivity，quantum efficiency

TN215

A

1001-8891(2016)04-0315-04

2015-12-04；

2016-03-12.

張磊（1984-），男，江蘇東海人，工程師，碩士，主要從事新型多光譜探測(cè)器技術(shù)研究。