带间级联红外探测器的光电流输运与量子效率研究
基于II类超晶格的带间级联探测器首次由俄亥俄州立大学的杨瑞青教授提出，并已成功应用于红外光电探测中，其工作原理如图1所示。当光照射在器件上，吸收区中的电子被激发到导带中，随后电子向左侧移动通过共振弛豫穿过弛豫区，后又在声子辅助下隧穿通过隧穿区。由于吸收区的两侧存在阻挡空穴的弛豫区和阻挡电子的隧穿区，因而光生载流子只能向弛豫区单方向移动，即使在没有外加偏置电压的条件下也能产生光电流，实现光伏效应。
图1 （a）带间级联探测器工作原理图；（b）能带结构示意图
带间级联红外探测器可以利用多级吸收区级联的方式实现高的工作温度，但不同的吸收区厚度设计方式会使得器件中不同级数吸收区中出现光生载流子的不匹配现象，从而对器件量子效率造成影响。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、上海科技大学和国科大杭州高等研究院的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“带间级联红外探测器的光电流输运与量子效率研究”为主题的文章。该文章第一作者为白雪莉，主要从事红外光电探测器的研究工作；通讯作者为周易和陈建新。
本文对基于InAs/GaSb II类超晶格的带间级联探测器进行了变温测试，并基于多级光电流的“平均效应”建立了工作在反向偏置电压的量子效率计算模型，通过与实际测试的量子效率对比，发现在低温条件下实验数据和计算结果拟合一致性较好，验证了多级带间级联探测器中基于内增益机制的光电流平均效应。但在高温条件下实际的光电流低于“平均效应”的理论计算结果，这可能是由于高温下少数载流子寿命变短，吸收区和在弛豫区界面处存在光生载流子的复合机制。
器件制备和测试
器件制备
本文对比了如表1所示的4组不同级数的带间级联探测器结构，分别为单级、三级、五级和十级。根据计算可知三级器件吸收区厚度分别为551 nm、722 nm 和1079 nm，五级器件的吸收区厚度为330 nm、380 nm、448 nm、530 nm以及673 nm。此外将M10器件设计为吸收区等厚度器件，每级吸收区厚度均为235 nm。
表1 器件参数
将上述材料制备为正入射与背入射器件。在正入射器件的制备过程中，通过电子束蒸发技术在器件的衬底背面沉积了金，以实现与背入射器件相同的光路，最后通过键压利用金线将器件连接在变温杜瓦上进行测试；制备背入射器件时，在完成湿法腐蚀后利用化学气相沉积生长了厚度为400 nm的Si₃N₄钝化层，再通过等离子体刻蚀形成电极孔后进行金属电极沉积，随后进行铟柱的生长，之后将铟柱与宝石片进行倒焊互连，最后从宝石片引出电极键压连接在变温杜瓦上进行测试。当器件工作在正照射条件下，光首先通过最厚的吸收区，然后逐级穿过厚度递减的吸收区，而背入射器件则与正入射的情况相反。以三级带间级联探测器为例，如图2所示（a）（b）分别为工作在正入射与背入射条件下的器件。
图2 （a）正入射；（b）背入射三级带间级联探测器示意图
利用傅立叶红外光谱仪对上述带间级联探测器进行变温变压条件下的相对响应光谱测试，随后测量变温变压条件下器件的黑体响应率，最后根据黑体响应率和相对响应得到变温变压条件下的电流响应率。
图3（a）表示M1探测器在波长为4.1 μm，温度范围为200 K至280 K，器件两端施加反向偏压为0 mV至-1000 mV条件下，通过实际测试获得的量子效率结果。从图中可知，量子效率随着反向偏压的增加呈现出先增大后饱和的趋势。当工作温度低于200 K，外加反向偏压达到200 mV时，量子效率开始趋于饱和。温度为200 K时，拟合获得InAs/GaSb II类超晶格材料的少子扩散长度为2.5 μm，大于器件吸收区厚度，同时结合前期对材料的扫描透射电子显微镜（STEM）和能带结构研究，认为可能是由于弛豫区和吸收区之间的能带未完全对准而造成量子效率在零偏下的不饱和，因而器件需要工作在一定反向偏压下才能越过势垒结构，实现光生载流子的有效收集。而当工作温度高于200 K时，需要外加更高的反向偏压才能使得量子效率趋于饱和。这是由于扩散长度随着温度的升高逐渐减小，当扩散长度小于吸收区厚度时，探测器需工作在一定的偏压下，弥补扩散长度的不足，使得光生载流子在外加电场下得到有效收集。图3（b）-（d）展示了在波长4.1 μm处，不同温度下M3、M5及M10器件，外加偏置电压为0 mV至-1000 mV时，利用实际测试数据计算后获得的量子效率值。如图所示，多级器件的量子效率随外加偏置电压的增加也呈现出先增大后饱和的趋势。M3器件在外加偏压达到500 mV后，量子效率趋于饱和；M5和M10器件则分别在外加偏压达到600 mV和800 mV后，量子效率开始趋于饱和。这是由于多级带间级联探测器件为串联结构，级数越多，则该探测器件所需的外加偏置电压更大。
图3 （a）M1、（b）M3、（c）M5、（d）M10探测器在不同偏压和温度下的量子效率
此外，从图中可知，当同一器件工作在不同温度下，其量子效率会在不同外加偏置电压下达到饱和，随着温度的升高，该“饱和偏压”先保持不变后逐渐升高。这说明多级器件与单级M1器件相似，当温度较低时，“饱和偏压”来源于结构中的能带不完全对准，而温度升高后，由于光生载流子的扩散长度不足，需要更大的外加偏置电压来实现对光生载流子的有效收集。单级吸收区厚度越薄，温度升高导致的扩散长度不足的影响越小，“饱和偏压”的转变发生在更高的工作温度下。
带间级联探测器的量子效率仿真计算
基于上述对带间级联探测器量子效率的变温变压结果分析，可知实际器件需工作在一定的偏置电压下，以消除弛豫区-吸收区之间能带未完全对准的影响。而当器件工作在一定的外加偏置电压下，空间电荷区变宽，吸收区中的载流子输运将不再仅依赖中性区的扩散，为优化带间级联探测器的量子效率理论模型，我们考虑了空间电荷区对量子效率的贡献。
空间电荷区的量子效率仿真计算
在外加偏压的条件下，为计算每一级吸收区的空间电荷区宽度，首先需要计算每一级吸收区的分压。图4（a）表示温度为80 K时，单级带间级联探测器件在不同外加偏置电压下的电场仿真，从图中可知外加偏置电压大部分落在了弛豫—吸收区上。如图4（b）所示，为该外加偏置电压的电场分布示意图。
图4 （a）外加偏置电压下的电场仿真图，插图为对应的电势图；（b）外加偏置电压的电场分配示意图
对外加偏置电压下多级带间级联探测器件的每级分压进行计算。以2级的带间级联探测器件为例，设外加偏置电压为V，第一级和第二级分到的偏压分别为Vd1和Vd2，如图5所示。
图5 两级带间级联探测器的外加偏置电压分布示意图
实验和仿真结果比较
单级带间级联探测器
图6为M1探测器件在温度为80 K至300 K，饱和偏压-200 mV条件下的实验和计算的量子效率。其中黑色实线为波长4.1 μm处实际测试获得的量子效率，红色实线为基于上述模型计算的量子效率结果，综合考虑了外加偏置电压后中性区和空间电荷区的共同作用，蓝色虚线为仅考虑扩散作用的量子效率计算结果。如图所示，考虑空间电荷区贡献后的计算结果与实验结果吻合度较高，验证了前文推导的量子效率理论计算模型。
图6 M1带间级联探测器件在不同温度下的实验和计算量子效率
多级带间级联探测器
图7（a）（b）分别为正、背入射多级带间级联探测器在工作温度为150 K至200 K，饱和偏压条件下测试获得的量子效率与仿真计算值的比较。正、背入射的M3、M5 和M10器件在低温下（150 K至200 K），实际测得的饱和偏压量子效率和理论计算结果基本一致，误差在4%以内。这说明在低温下多级带间级联探测器的器件光电流与各级吸收区的光电流的平均值结果接近，这验证了前述的多级带间级联探测器的光电流平均效应。但在高工作温度下多级带间级联探测器件的实验数据和基于平均效应的理论计算结果存在较大差异。
图7 （a）正入射；（b）背入射多级带间级联探测器件在低温下的饱和测试和拟合量子效率
图8（a）-（c）分别表示正、背入射的M3、M5以及M10带间级联探测器工作在饱和偏压时高温下（200 K至280 K）测得的量子效率和仿真计算结果，此时实验数据低于理论计算，且随着温度升高，差异越大。这说明随着工作温度的升高，实际测得的量子效率数据低于基于各级吸收区的光电流平均值理论所计算的数据结果。这是由于在200 K至300 K温度范围内载流子寿命与温度存在τ∝T-1/2的关系，随着温度的升高，探测器中的声子数目急剧增加，光生载流子的产生复合率增大，寿命变短。带间级联结构中，光生载流子能够被有效收集的一个主要原因是，吸收区中的少数载流子寿命比多量子阱弛豫区中的载流子寿命高2~3个数量级，因而可以快速在弛豫区中通过声子辅助隧穿效应到达下一级的价带，形成级联输运。当工作温度升高，光生载流子寿命急剧下降，在吸收区和弛豫区界面处被复合的光生载流子数量增加，前级吸收区积累的光生少数载流子浓度降低，前后两级吸收区中少子浓度差减少，导致了器件内部由于电流失配形成的内建电场强度降低，减少了后级吸收区中光电响应的增益，从而使得探测器的整体光电流低于平均效应的理论计算。
图8 （a）M3、（b）M5、（c）M10的正、背入射带间级联在高温下的饱和测试和拟合量子效率
对比图8（a）（b）可知，M3和M5的正入射实验数据和计算结果的差异大于其背入射实验数据和计算结果差异。由于正入射器件的前级吸收区厚，会产生较多的光生载流子；后级吸收区薄且入射光的衰减受前级吸收区较厚的影响，产生的光生载流子较少，此时多级的正入射带间级联探测器件内部的光生载流子失配严重，为满足电流连续性，相较于背入射器件，更依赖内部形成的内建电场实现光电流内增益。当工作温度升高，探测器中光生载流子寿命减少，产生复合率增大，其界面处因光生载流子聚集所产生的内建电场强度降低，正入射器件各级吸收区的光生载流子失配程度更大，其量子效率受到的影响也更大。但M10的正入射和背入射的计算结果和实验数据的差异接近，如图8（c）所示，这是由于M10为吸收区等厚度器件，其正入射与背入射在每一级产生的光生载流子数目一致。因此，针对高工作温度的级联结构探测器，其光电流不再满足基于内增益的平均效应，在设计中器件的每级吸收区厚度需要尽量考虑电流匹配型，尽量减少界面处聚集的光生载流子，实现量子效率的最大化。
结论
通过对带间级联探测器光电流响应的理论计算与仿真，对比正入射与背入射下的不同级数带间级联探测器件量子效率的实际测试数据，深入研究了多级级联结构中各级吸收区光生载流子不匹配时电子增益对光响应的影响。研究发现带间级联探测器在低温饱和偏压工作下，正入射与背入射的实验数据和计算结果拟合一致性较好，验证了在电子增益的作用下带间级联探测器的光电流与各级吸收区的光电流平均值吻合；当工作温度升高时，实际的光电流低于基于“平均效应”的理论计算结果，且光生载流子失配越大实际光电流越小。这可能时由于高温下少数载流子寿命急剧下降，导致吸收区和弛豫区的界面处光生少数载流子大量复合，导致了量子效率的降低。
这项研究获得国家自然科学基金（62222412、61904183）、国家重点研发计划（2022YFB3606800）、中国科学院青年创新促进会（Y202057）和上海市科技启明星计划（21YF1455000）的资助和支持。
审核编辑：汤梓红
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原文标题：带间级联红外探测器的光电流输运与量子效率研究
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