但也正由于所有物體都有紅外輻射，因此在探測(cè)時(shí)存在著巨大的背景噪聲，導(dǎo)致紅外探測(cè)器的探測(cè)率和響應(yīng)度下降，虛警率高。提高紅外探測(cè)器的探測(cè)率和響應(yīng)度，獲得高增益的紅外探測(cè)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
在之前的研究中人們已經(jīng)對(duì)碲鎘汞、氧化釩和非晶硅材料進(jìn)行了廣泛的研究。近年來，由于零帶隙或者窄帶隙的二維材料也可應(yīng)用于紅外探測(cè)器，新原理新器件層出不窮。然而，目前基于這些新材料體系的紅外探測(cè)器仍需克服材料的大面積均勻性、提高器件的量子效率和增益等問題。
近日，美國(guó)西北大學(xué)量子器件中心的研究人員利用II類超晶格的能帶結(jié)構(gòu)易于調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，通過能帶結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)了高增益的異質(zhì)結(jié)晶體管(HPT)型長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。
圖1 紅外輻射藝術(shù)效果圖
該成果以 Band-structure-engineered high-gain LWIR photodetector based on a type-II superlattice 為題發(fā)表在Light: Science & Applications 。
文中采用的銻化物InAs/GaSb二類超晶格材料具有二型能帶結(jié)構(gòu)，電子有效質(zhì)量大，俄歇復(fù)合率低，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍大(約3-30微米)，材料均勻性好，成本低，在中波及長(zhǎng)波波段與碲鎘汞探測(cè)器性能相當(dāng)，在甚長(zhǎng)波波段則有較大優(yōu)勢(shì)。
研究者利用經(jīng)驗(yàn)緊束縛近似法設(shè)計(jì)了npn型的長(zhǎng)波紅外超晶格能帶結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。由于InAs/GaSb II類超晶格的能帶可通過超晶格中每一層的厚度和超晶格周期進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)理論模擬結(jié)果通過分子束外延技術(shù)制備了如圖2(b)所示的超晶格結(jié)構(gòu)。
圖2 II類超晶格紅外探測(cè)器能帶結(jié)構(gòu)示意圖(a) 材料結(jié)構(gòu)示意圖(b)
在該結(jié)構(gòu)中，寬帶隙的n型InAs/GaSb/AlSb/GaSb 超晶格結(jié)構(gòu)作為發(fā)射極(圖2中標(biāo)注為1, 2)，p型的InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)作為基極(圖2中標(biāo)注為3)和窄帶隙的n型InAs/GaSb超晶格結(jié)構(gòu)作為集電極(圖2中標(biāo)注為4和5)，形成npn(名詞解釋 >)結(jié)構(gòu)的晶體管。上述結(jié)構(gòu)經(jīng)過臺(tái)面腐蝕和電極制備等器件工藝后，獲得紅外探測(cè)器。
由于發(fā)射極采用了更寬帶隙的InAs/GaSb/AlSb/GaSb超晶格，在發(fā)射極和基極之間形成了高達(dá)330meV的價(jià)帶階，從而把空穴限制在基極層，同時(shí)調(diào)制了導(dǎo)帶的電子勢(shì)壘，使電子可以隧穿到收集極(如2圖中紅色箭頭所示)，當(dāng)施加外加偏壓時(shí)，也提高了電子的漂移速度，進(jìn)一步抑制了電子和空穴的復(fù)合幾率，從而實(shí)現(xiàn)高的光增益。
當(dāng)基極電壓為220mV時(shí)，紅外探測(cè)器在6.8μm處獲得峰值響應(yīng)為1228A/W，如圖3所示。
圖3 紅外探測(cè)器的光譜響應(yīng)圖
研究結(jié)果還表明，與作者已報(bào)道的nBn型紅外探測(cè)器相比，該探測(cè)器的探測(cè)率提高了30倍，如圖4所示。隨著外加電壓增加到220mV，光增益值逐漸增加到276，而電壓繼續(xù)增加光增益值趨于飽和。
圖4 紅外探測(cè)器的探測(cè)率譜
上述利用能帶結(jié)構(gòu)調(diào)制的原理，設(shè)計(jì)并制備高增益的紅外探測(cè)器，為今后紅外探測(cè)器在快速響應(yīng)和焦平面成像等領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供了新思路。
作者：Joule(哈工大副教授)
