張 磊，張 亮，張小雷，姚官生，彭震宇

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InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器量子效率計算研究

張 磊，張 亮，張小雷，姚官生，彭震宇

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471099）

首先分析了量子效率計算的相關(guān)理論，然后分析利用紅外中波InAs/GaSbⅡ類超晶格材料進(jìn)行光伏探測器研制，在對器件進(jìn)行電學(xué)性能測試及光譜響應(yīng)測試基礎(chǔ)上，利用理論分析和測試數(shù)據(jù)計算出研制器件的實(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，同時消除芯片表面SiO2鈍化層光學(xué)透過率的影響，計算出器件對紅外波段2～6mm輻射響應(yīng)的量子效率最高可達(dá)35%，達(dá)到了國外同類型器件響應(yīng)的量子效率指標(biāo)。本文的研究為評價InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器的光電轉(zhuǎn)換性能提供了一種有效的方法。

InAs/GaSbⅡ類超晶格；電性能測試；光譜響應(yīng)；電流響應(yīng)率；量子效率

0 引言

InAs/GaSbⅡ類超晶格是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)，從問世以來一直得到關(guān)注，被認(rèn)為是第三代紅外探測器技術(shù)最佳選擇之一。InAs/GaSbⅡ類超晶格探測器具有超越HgCdTe探測器的性能和QWIPs探測器的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的HgCdTe材料相比，InAs/GaSbⅡ類超晶格最大的優(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，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器光電轉(zhuǎn)換性能的一個重要指標(biāo)。國外較早地對InAs/GaSbⅡ類超晶格器件的量子效率開展了研究工作[1-5]，國內(nèi)相關(guān)的研究工作落后于西方發(fā)達(dá)國家，但是也取得了較大進(jìn)展[6-8]。

超晶格紅外探測器屬內(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)電子空穴對的比例。目前的技術(shù)條件下，對于研制的超晶格器件，難以具體統(tǒng)計出實(shí)際入射的光子數(shù)和產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)，一般是利用一定的手段宏觀測量其電學(xué)輸出，再進(jìn)行計算分析。本文以實(shí)際研制的InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外中波探測器為基礎(chǔ)，通過量子效率計算的理論分析、器件研制分析、器件測試及測試數(shù)據(jù)的綜合計算，得到了器件的量子效率，可客觀地評價器件的光電轉(zhuǎn)換性能。

1 理論分析

由紅外探測器量子效率的定義[9]出發(fā)，研制器件的量子效率可通過器件測試得到的電流響應(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類超晶格中波紅外探測器研制以后，通過實(shí)驗測試可得到其黑體電流響應(yīng)率ibb，利用光譜儀可測得器件的光譜響應(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；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()是器件測試的相對光譜響應(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，與光速和波長的關(guān)系為＝c/；是時間內(nèi)器件產(chǎn)生的電子數(shù)量；是時間內(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)簡化成式(7)，由式(7)可計算出響應(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)備生長的InAs/GaSb中波紅外超晶格材料基礎(chǔ)上開展工藝試驗，進(jìn)行器件研制。工藝試驗流程如圖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 性能測試

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

圖1 InAs/GaSb中波紅外探測器研制工藝流程

圖2 InAs/GaSb中波紅外二極管結(jié)構(gòu)

圖3 InAs/GaSb中波紅外探測器芯片形貌

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

探測器的工作溫度為77K，同時為了更加全面地反映器件在中紅外波段的響應(yīng)特性，我們在2mm～6mm范圍內(nèi)對器件進(jìn)行電學(xué)性能測試、光譜響應(yīng)測試及量子效率的計算分析。

在此，選擇一個尺寸為400mm×400mm的光敏元作為研究對象，對其進(jìn)行信號電壓測試和噪聲電壓測試，并對應(yīng)地進(jìn)行了黑體電流響應(yīng)率的轉(zhuǎn)換，測試結(jié)果如表1所示。

表1 InAs/GaSbⅡ類超晶格二極管電性能測試結(jié)果

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

圖4 InAs/GaSb超晶格芯片光譜響應(yīng)測試曲線

4 量子效率計算分析

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

由表1的測試結(jié)果，尺寸為400mm×400mm的二極管對黑體輻射產(chǎn)生的信號電壓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)際測試的電流響應(yīng)率iTest()。

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

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

上述器件研制時，使用CVD生長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類超晶格基底材料的折射率為2，對應(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2～6mm波段紅外輻射的光學(xué)透過率()。

因為芯片表面只有一層SiO2鈍化層光學(xué)薄膜，對應(yīng)膜系的特征矩陣簡化為[13]：

膜系的位相厚度1為：

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

從而可以計算出紅外輻射通過鈍化層后的透過率()，即

()＝1－() (11)

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

圖5 紅外輻射通過超晶格芯片鈍化層的透過率

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

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

圖7 國外同類型InAs/GaSb超晶格器件量子效率曲線

5 結(jié)論

本文在分析InAs/GaSbⅡ類超晶格紅外探測器量子效率計算相關(guān)理論的基礎(chǔ)上，通過紅外中波器件研制分析和性能參數(shù)測試，利用實(shí)際測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了器件量子效率的計算分析，為客觀地評價超晶格紅外探測器的光電轉(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器技術(shù)研究。