榮 新,王新強

(北京大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100871)

1 量子阱子帶間躍遷的基本原理

1.1 紅外探測器簡介

紅外探測器的發(fā)展歷史[1]如圖1所示，最早的紅外探測器是利用紅外線的熱效應(yīng)進行探測的，稱為紅外熱探測器. 1940年前后，利用紅外線光子效應(yīng)的光電探測器逐漸成為主流，并在軍事的需求促進下得以快速發(fā)展，紅外光電探測器以碲鎘汞(MCT)和銦鎵砷(InGaAs)等材料發(fā)展并逐漸成熟[1]. 紅外探測器的響應(yīng)波段可以針對不同的光譜范圍，按照波長從短到長依次為近紅外(NIR)、短波紅外(SWIR)、中波紅外(MWIR)、長波紅外(LWIR)、超長波紅外(VLWIR)、太赫茲波(THz)等，波長越長的紅外光光子能量越小，因此探測的難度也隨之增大，器件制作成本大幅上升. 紅外光電探測器按其探測原理可以分為光伏型和光導(dǎo)型2種：光伏型光電探測器利用光生伏特效應(yīng)，在零偏壓下仍有電信號響應(yīng)；光導(dǎo)型光電探測器需要外加偏壓，要考慮抑制暗電流以增加信噪比. 當(dāng)前紅外探測器已經(jīng)發(fā)展至第三代探測器，以高空間分辨率和智能多色識別為顯著特征，在超低暗電流、超寬譜探測、室溫工作、小型化、柔性化等方面快速發(fā)展. 例如使用碲鎘汞長波-中波紅外雙色探測器可以同時捕捉LWIR和MWIR波段信號，根據(jù)普朗克黑體輻射定律，不同溫度的物體對應(yīng)的輻射光子能量極值不同，雙色探測意味著可以提高系統(tǒng)的探測能力，在導(dǎo)彈制導(dǎo)、預(yù)警以及目標(biāo)追蹤等方面意義重大，此外還包括紅外-可見、紅外-紫外等多種類型的雙色探測器.

圖1 紅外探測器發(fā)展歷史

1.2 子帶間躍遷及其光電器件

由于碲鎘汞和銦鎵砷等紅外材料的組分均勻性控制方面的難題不利于其大面積紅外焦平面陣列成像，同時器件工作溫度偏低限制了其器件小型化、低成本、便攜等方面的應(yīng)用和發(fā)展. 為此，近年發(fā)展了基于量子結(jié)構(gòu)的子帶間躍遷(Intersubbandtransition，ISBT)原理制備的紅外探測器[2-3]. 通常LED、半導(dǎo)體激光器等光電器件均是依據(jù)帶間躍遷(Interbandtransition)的原理制成. 與此不同，子帶間躍遷是指電子(或空穴)在導(dǎo)帶(或價帶)量子阱中不同子帶能級之間的躍遷，如圖2所示. 從高能級到低能級的ISBT可用于制備發(fā)光器件，如量子級聯(lián)激光器(QCL)等[4]，從低能級向高能級的ISBT可用于制備光電探測器，如光導(dǎo)型的量子阱紅外探測器(QWIP)和光伏型的量子級聯(lián)探測器(QCD)等[5-7]. 根據(jù)量子躍遷理論，ISBT需要滿足躍遷選擇定則[2]，即ISBT只能吸收p光(TM光)，對s光(TE光)沒有響應(yīng).

圖2 子帶間躍遷與帶間躍遷原理比較

1.3 氮化物材料的子帶間躍遷

(a)Ga面GaN (b)N面GaN

(c)能帶結(jié)構(gòu)圖3 纖鋅礦GaN的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

當(dāng)前基于ISBT的QWIP研究較成熟的體系為GaAs基材料[5]，然而其器件工作通常需低溫制冷，實現(xiàn)室溫工作紅外成像尚不成熟.GaN基材料屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，施主類型雜質(zhì)電離能較大可有效抑制電子室溫?zé)峒ぐl(fā)，因此GaN基ISBT紅外探測可實現(xiàn)室溫工作[15-16].AlGaN帶間躍遷可實現(xiàn)紫外探測，利用AlGaN量子阱的ISBT可實現(xiàn)紅外探測，因此采用單一氮化物體系可實現(xiàn)單片集成的紫外-紅外雙色探測[17]，如圖4所示，通過AlGaN/GaN多量子阱ISBT實現(xiàn)紅外探測，一定組分的AlGaN薄膜實現(xiàn)紫外探測，同時通過3個接觸層防止紫外和紅外信號的相互串?dāng)_. 氮化物ISBT的弛豫時間較小可制備超快器件，氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶帶階大可實現(xiàn)幾乎全紅外波段光譜ISBT[18]，此外，氮化物半導(dǎo)體的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗輻射性能強，適用于極端環(huán)境. 當(dāng)前，氮化物ISBT研究主要在法國、瑞士、日本、美國、以色列、中國等國家開展研究，目前的研究熱點是非極性面/半極性面材料生長和器件制備、紫外-紅外雙色探測器、提升中紅外波段器件工作溫度等. 目前已經(jīng)取得了一定進展，但由于氮化物高的位錯密度(c面GaN位錯密度約為108cm-2)導(dǎo)致較大的暗電流，同時強的極化場降低了載流子的縱向輸運等原因仍然進展有限，需要深入研究其機理及相應(yīng)解決方案. 本文主要研究3～5μm大氣窗口波段的氮化物ISBT及其QWIP器件.

圖4 典型氮化物單片集成紫外-紅外雙色探測器結(jié)構(gòu)

2 研究方法概述

2.1 氮化物材料的MBE生長方法

國際主流的Ⅲ族氮化物外延生長方法可分為3類：金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)以及氫化物氣相外延(HVPE). MBE是遠離平衡態(tài)的生長方式，生長溫度低可有效防止界面原子互擴散，生長速度慢可實現(xiàn)原子級的精確控制，生長室真空度高適宜進行超高質(zhì)量高純材料的制備，在單原子層、數(shù)字合金、短周期超晶格、低密度量子點、納米線量子結(jié)構(gòu)等生長方面優(yōu)勢明顯. 在量子力學(xué)中的有限深平底勢阱等結(jié)構(gòu)可以通過MBE生長半導(dǎo)體材料的方法完美實現(xiàn)，一種半導(dǎo)體材料對應(yīng)一定的禁帶寬度，如圖2所示，當(dāng)不同材料的界面達到單原子層的銳利度且存在導(dǎo)帶帶階時，可以實現(xiàn)量子阱結(jié)構(gòu)，其阱寬和勢壘高度可以分別通過改變材料厚度和組分的方法實現(xiàn). 但MBE是超高真空系統(tǒng)，設(shè)備維護成本和材料制備成本較高. MBE是在20世紀60年代末美國貝爾實驗室的A. Y. Cho(卓以和)等人開創(chuàng)的[19]，常見的MBE系統(tǒng)一般包括真空系統(tǒng)、生長控制系統(tǒng)、原位監(jiān)控系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等，通過真空泵(機械泵、分子泵、離子泵、鈦升華泵、低溫泵等)創(chuàng)造超高真空生長環(huán)境，生長控制系統(tǒng)包含源爐(Cell)和相應(yīng)的快門(Shutter)、控溫系統(tǒng)、樣品控制臺等. 源爐中存放高純源材料，通過控制Cell溫度控制束流大小，通過控制Shutter精確控制源材料的生長順序，原位表征系統(tǒng)主要有反射高能電子衍射儀(RHEED)等，可以實時觀察樣品表面的生長模式. 材料生長需要關(guān)注生長區(qū)間相圖(Growth regime)，即材料制備過程中保持特定生長模式的條件范圍，包括生長溫度、源束流比例等，生長區(qū)間的掌握對于晶體生長極具指導(dǎo)性作用. GaN和AlN生長時通?？紤]金屬的再蒸發(fā)過程，在一定生長溫度下控制Ⅲ/Ⅴ束流比可導(dǎo)致不同的生長區(qū)間，可分為：富N生長區(qū)間(N-rich regime)、平衡態(tài)生長區(qū)間(Intermediate regime)和富金屬-液滴生長區(qū)間(Droplet regime)，平衡態(tài)生長區(qū)間對生長最為有利，溫度越高該生長窗口越大. InN情況與此不同，通常需要考慮InN的分解，而生長溫度下In金屬的再蒸發(fā)很弱，主要考慮邊界生長溫度[20]，生長應(yīng)維持在邊界生長溫度附近，大于該溫度InN分解過程嚴重，無法生長.

2.2 材料表征技術(shù)

Ⅲ族氮化物常用的表征方法有：原子力顯微鏡(AFM)表征樣品表面微觀形貌；X射線衍射(XRD)表征材料物相、晶體質(zhì)量、應(yīng)力以及多量子阱等信息. 拉曼譜(Raman)可表征聲子振動模式、缺陷、層數(shù)成分鑒定、應(yīng)力狀態(tài)等；光致熒光譜(PL)、電致熒光譜(EL)和吸收譜(Photo-absorption)可表征材料能帶性質(zhì)；陰極熒光譜(CL)可空間分辨表征樣品光學(xué)性質(zhì)；同時大多數(shù)光學(xué)表征方法又可擴展為微區(qū)分辨、時間分辨、變溫、變激發(fā)功率等模式. 掃描電子顯微鏡(SEM)表征納米柱形貌、樣品表面開裂情況等；透射電子顯微鏡(TEM)表征樣品局域晶體質(zhì)量、缺陷等，表征量子阱區(qū)域的界面銳利度，準(zhǔn)確計算材料晶格常量及原子排布等.

常見AFM型號為Bruker Icon等. AFM工作模式有接觸模式(contact mode)、非接觸模式(non-contact mode)和輕敲模式(tapping mode). AFM除了可測試樣品表面形貌外，常見的其他模式還有C-AFM(Conducting AFM)，開爾文探針力顯微鏡(Kelvin probe force microscopy, KPFM)等. 本文工作采用的XRD型號為Bruker D8 高分辨X射線衍射儀，X射線的波長是0.154 nm(Cu的Kα線). 對于半導(dǎo)體材料可認為XRD為材料無損表征技術(shù)，其工作原理可分為運動學(xué)理論和動力學(xué)理論，動力學(xué)理論常見的資料很少涉及，運動學(xué)理論即滿足布拉格方程 . XRD主要有3種模式，ω-2θ聯(lián)動掃描、ω掃描(Rocking curve)、倒易空間圖(RSM). 對于多量子阱(或超晶格)樣品，ω-2θ掃描會出現(xiàn)衛(wèi)星峰，從衛(wèi)星峰和厚度干涉條紋通過擬合可以得到多量子阱的結(jié)構(gòu)信息，如勢壘組分和勢阱厚度等. 通過0級衛(wèi)星峰可以計算多量子阱的等效組分，但應(yīng)注意0級衛(wèi)星峰并不總是衛(wèi)星峰中最強的峰，特殊情況下該峰甚至有可能消光，如理論計算表明，InN/AlN按4 nm/4 nm方式生長多周期將出現(xiàn)0級衛(wèi)星峰消光，GaN/AlN按12.4 nm/12.4 nm方式生長也將出現(xiàn)0級衛(wèi)星峰消光. 常見SEM型號為FEI NanoSEM 430等. 其原理是測試聚焦電子束(能量一般在5～35 keV)與樣品相互作用發(fā)射出的低能二次電子(Secondary electron)信號. 由于衍射極限的原因，電子顯微鏡的分辨率遠高于光學(xué)顯微鏡. SEM是在掃描線圈的驅(qū)動下在樣品表面按一定順序作柵網(wǎng)式掃描，因此其成像不是各像素同時成像，而是探頭對樣品不同位置逐個像素掃描得到的. 本文工作的TEM型號為Tecnai F30場發(fā)射透射電鏡，并配置了EDS能譜模塊，TEM是通過面陣CCD成像的，因此其成像是同時成像，其原理可以和阿貝成像與空間濾波實驗相比擬，分為實空間像和倒空間像. TEM根據(jù)光闌對衍射斑點的選取可分為明場像和暗場像，暗場像中的弱束暗場像可以大大提高成像質(zhì)量. TEM,XRD,RHEED彼此也有聯(lián)系，他們都是晶格結(jié)構(gòu)對電子衍射的結(jié)果.

2.3 ISBT紅外探測器的制備及器件響應(yīng)

首先通過傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)進行紅外光吸收測試，如果其響應(yīng)波段與設(shè)計一致可以考慮制備QWIP原型器件，如圖5所示，器件的臺面結(jié)構(gòu)分為3步：刻蝕臺面、蒸鍍電極和側(cè)面鈍化. 最后選?、籼匦暂^好的樣品進行紅外光電流測試，紅外光吸收和光電流測試的FTIR裝置示意圖如圖6所示.

(b)器件測試示意圖圖5 氮化物紅外探測器臺面工藝

(a)紅外光吸收測試裝置

(b)紅外光電流測試裝置圖6 FTIR紅外光吸收和電流測試裝置

FTIR的主要光學(xué)部件是邁克耳孫干涉儀[21-22]，光源通常為寬譜紅外光源(復(fù)色光)，其發(fā)出的紅外光入射到分光板(Splitter)上被分成2束，一束透射(T)到動鏡上再反射(R)射向樣品，另外一束反射(R)到定鏡上再透射(T)射向樣品，射向樣品的光是2束干涉光：TR和RT. FTIR的頻率分辨率可簡單地認為是動鏡掃描長度的2倍的倒數(shù)，如動鏡掃描距離為5 cm時，分辨率為0.1 cm-1(～3 GHz)，與傳統(tǒng)光柵分光相比FTIR既提高了分辨率又縮短了測量時間. 動鏡有2種掃描模式，一種是以恒定的速度運動，稱為連續(xù)掃描或線性掃描，另一種是每運動到一個位置停留一段時間再運動到下一個位置，稱為步進掃描(Step-scan). 為了放大光電流響應(yīng)譜，通常需要結(jié)合斬波器和鎖相放大器，由于斬波器機械斬波的調(diào)制頻率有限，一般光電流譜測試時需要采用步進掃描模式. 研究型FTIR光譜儀一般配置外置光源入口和光源輸出窗口，以及外置電學(xué)信號入口和電學(xué)信號導(dǎo)出口. 隨著動鏡位置的變化，TR和RT干涉光相應(yīng)的光程差隨之變化，使得一系列頻率的光干涉增強或減弱，干涉光入射到樣品時某些波長的光被吸收，探測器采集到含樣品信息的電信號，該電信號的原始數(shù)據(jù)是響應(yīng)信號隨動鏡實空間位置的變化，經(jīng)軟件傅里葉變換后就得到信號隨波數(shù)的變化關(guān)系，即響應(yīng)譜. 測光吸收和光電流時電信號的來源不同，測光吸收時樣品透射光通過系統(tǒng)自帶的紅外探測器(如低溫制冷的MCT等)轉(zhuǎn)化成電信號，測光電流時樣品(即器件)直接產(chǎn)生電信號，或再通過鎖相放大后形成信噪比增強的電信號.

實際測試中根據(jù)躍遷選擇定則，ISBT只對p光有響應(yīng)，對s光沒有響應(yīng)，在入射樣品的p光與s光強度一致的情況下，以s光入射時的透射譜Is(λ)為參考，用p光入射時的透射譜Ip(λ)與s光的透射譜Is(λ)相除，就可以扣除樣品反射、光源隨波長的強度分布、探測器隨波長的響應(yīng)譜的影響，進而可計算吸收系數(shù)譜α(λ)，設(shè)光線經(jīng)過吸收區(qū)的有效路徑為t，根據(jù)比爾朗伯定律有

Ip(λ)=I0exp [-αp(λ)t]，

Is(λ)=I0exp [-αRef(λ)t]，

可得

3 實驗研究進展

3.1 量子阱子帶間躍遷的材料體系

制備有源區(qū)量子阱結(jié)構(gòu)首先需要選取合適的材料，氮化物中主要有AlGaN/GaN， InAlN/GaN，GaN/InGaN等結(jié)構(gòu)[23-25]，區(qū)別在于前兩者GaN為勢阱，后者GaN為勢壘. 同時由于晶格結(jié)構(gòu)中按照AlN,GaN,InN順序晶格常量依次變大，因此高質(zhì)量AlGaN相比于InAlN更易制備，MBE生長中二元材料相比于三元材料生長質(zhì)量高，由于通常寬勢壘結(jié)構(gòu)中勢壘的輸運是主要考慮的，因此勢壘采用二元GaN有一定的優(yōu)勢. 調(diào)制ISBT躍遷的能量可以通過調(diào)節(jié)量子阱的阱寬或勢壘材料組分等方法實現(xiàn)，理論與實驗研究表明改變阱寬時調(diào)制的幅度更明顯，如圖7所示，通過改變勢阱寬度，ISBT能量可以在很大范圍內(nèi)調(diào)制. 圖7(a)中為AlGaN/GaN體系紅外吸收譜，同時AlGaN薄膜部分的紫外吸收譜對應(yīng)280 nm日盲區(qū)，即實現(xiàn)了紫外-紅外雙色吸收，圖7(b)為GaN/InGaN體系的紅外吸收譜[24-25]，圖中的吸收譜的測試需要對樣品進行3個面的拋光，以實現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu).

(a)AlGaN/GaN體系紅外吸收譜和AlGaN紫外吸收譜

(b)GaN/InGaN體系的紅外吸收譜圖7 光吸收譜

如果不進行多次優(yōu)化，通常實驗中測試的信號會很弱，解決方法是需要從材料制備和測試兩方面找原因，比如材料制備方面考慮晶體生長質(zhì)量、量子阱界面及周期控制、勢阱n型摻雜濃度等是否合適，測試方面考慮優(yōu)化最佳光路、適當(dāng)?shù)墓怅@遮擋、偏振片的控制、拋光的平整度等.

3.2 量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計及優(yōu)化

電子吸收特定波段的紅外光從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，光激發(fā)電子在外加偏壓下縱向輸運形成光電流. 需要指出的是激發(fā)態(tài)的電子同樣有機會弛豫回基態(tài)，而且除了光激發(fā)電子縱向輸運外，勢壘熱激發(fā)電子縱向輸運形成暗電流，基態(tài)電子縱向隧穿也貢獻一小部分暗電流，器件設(shè)計的原則是要盡量提升光電流，抑制暗電流. 通常氮化物ISBT結(jié)構(gòu)的設(shè)計為如圖8(a)所示，這種結(jié)構(gòu)中由于氮化物的極化場導(dǎo)致導(dǎo)帶邊傾斜，進而形成三角形勢壘，基態(tài)載流子吸收紅外線后優(yōu)先躍遷到能量較低的態(tài)，此時三角形勢壘不利于激發(fā)態(tài)電子的縱向輸運，需要著重解決極化場問題[26].

(a)傳統(tǒng)量子阱無偏壓

(b)傳統(tǒng)量子阱有偏壓

(c)臺階量子阱無偏壓

(d)臺階量子阱有偏壓圖8 氮化物量子結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶邊及電子能級示意圖

一種可能的解決方法是設(shè)計如圖8(c)的臺階量子阱結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，基態(tài)載流子吸收紅外線后直接躍遷到準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，而尖峰勢壘厚度一般小于2 nm，便于載流子的縱向輸運，同時平帶勢壘可以抑制暗電流增加信噪比. 平帶勢壘的形成需要基于等效組分原理，即在AlGaN多層結(jié)構(gòu)中保持平帶勢壘的Al組分與單周期平均Al組分一致. 如圖9[27]對不同材料厚度進行了分別計算，結(jié)果表明，當(dāng)GaN厚度為6～9 MLs(原子層)時，第二子帶位于平帶勢壘之上，此時隨著GaN厚度的增加量子限制效應(yīng)減弱，第一子帶能級下移，第二子帶位置幾乎不變，從而ISBT能量變大. 當(dāng)GaN厚度≥10 MLs時，第二子帶進入量子阱內(nèi)，此時隨著GaN厚度的增加，第二子帶比第一子帶下移的幅度大，ISBT能量減小. 當(dāng)GaN增大到26 MLs時，其ISBT能量為248 meV，ISBT能量減小的趨勢逐漸減緩，此時由于極化效應(yīng)各子帶逐漸進入三角阱區(qū)域，增加阱寬對量子限制效應(yīng)的影響已經(jīng)不明顯. 注意到GaN厚度≥10 MLs時，第二子帶進入量子阱內(nèi)，此時已經(jīng)不適合做縱向輸運，臺階量子阱與傳統(tǒng)MQWs相比的優(yōu)勢幾乎消失，所以認為GaN厚度為6～9 MLs比較合適. 綜合考慮3～5 μm響應(yīng)波段，設(shè)計生長了7～8MLs的樣品，其TEM測試結(jié)果如圖9(c). 圖10根據(jù)等效組分原理進一步設(shè)計了新型臺階量子阱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中形成了雙能級共振，有利于電子的ISBT.

(a)臺階量子阱厚度優(yōu)化計算

(b)ISBT能量隨勢阱厚度的變化

(c)AlGaN臺階量子阱的TEM圖圖9 AlGaN臺階量子阱結(jié)構(gòu)的設(shè)計及材料生長

圖10 新型臺階量子阱結(jié)構(gòu)，存在雙能級共振

3.3 量子阱結(jié)構(gòu)對探測器輸運性質(zhì)的影響

制備紅外探測器需要制備如圖5(a)的臺面結(jié)構(gòu)，然后將其中的電極通過打線機等方式引到相應(yīng)導(dǎo)電板上，再在導(dǎo)電板上焊接必要的轉(zhuǎn)接頭，如圖11所示，最后轉(zhuǎn)接頭與FTIR光譜檢測設(shè)備相連接. 盡管目前氮化物已經(jīng)實現(xiàn)室溫近紅外探測，但氮化物中紅外波段制備的紅外器件響應(yīng)通常很弱，如圖6(b)所示，需要將器件放置于低溫腔室(Chamber)中進行測量，通常既可以測變溫暗(光)電流IV特性，也可以測變溫FTIR紅外光電流響應(yīng).

寬勢壘量子阱對器件輸運性質(zhì)的影響[28]：如圖12(b)所示，通過對比窄勢壘結(jié)構(gòu)和寬勢壘結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)寬勢壘結(jié)構(gòu)中暗電流降低了約2個數(shù)量級，可以明顯提高信噪比. 從圖12(a),(c),(d)可以發(fā)現(xiàn)，寬勢壘量子阱中ISBT可以分成3種躍遷類型，分別為e1→E2，e1→E3，e1→E4，分別對應(yīng)光吸收譜和光電流譜中的3個峰，光吸收只需考慮ISBT，能量越低越容易發(fā)生ISBT，因此光吸收譜中e1→E2最強，光電流的產(chǎn)生既需要ISBT又需要電子縱向輸運，而電子輸運量子隧穿概率隨勢壘的變高呈指數(shù)規(guī)律衰減，因此光電流譜中e1→E4最強.

圖11 氮化物紅外探測器原型器件實物圖及響應(yīng)的探測單元

臺階量子阱對器件輸運性質(zhì)的影響[27]：如圖13所示，臺階量子阱中電子的縱向輸運相對容易，光吸收和光電流譜中可以看到唯一響應(yīng)峰，對應(yīng)電子基態(tài)到準(zhǔn)連續(xù)態(tài)的ISBT，其中，光吸收峰位為4 μm，光電流峰位為3.4 μm，光電流響應(yīng)對應(yīng)光吸收響應(yīng)存在60 meV的藍移. 綜合分析認為其主要原因為：光吸收通常對應(yīng)量子阱第一子帶到第二子帶的ISBT；而光電流可以對應(yīng)第一子帶到更高能級子帶的ISBT，因為基態(tài)電子躍遷到更高的能級時，盡管吸收系數(shù)更小但有利于縱向輸運，實際光電流的ISBT應(yīng)主要取決于二者的平衡，即綜合考慮吸收系數(shù)和縱向輸運隧穿的最佳值，這與本結(jié)構(gòu)中存在準(zhǔn)連續(xù)態(tài)是一致的.

由于氮化物材料質(zhì)量相對較差和極化場影響等原因，光電流的測試通常信號很弱，需要持續(xù)采譜約30～40 min. 從樣品角度解決方法是采用自支撐襯底提高材料質(zhì)量或通過非極性面、半極性面生長等降低極化場. 其中非極性面和半極性面生長可以通過該襯底制備薄膜結(jié)構(gòu)，也可以通過納米柱結(jié)構(gòu)生長，金屬極性氮化物納米柱結(jié)構(gòu)的頂部通常為半極性面，側(cè)面為非極性m面，而且納米柱結(jié)構(gòu)中由于應(yīng)力釋放通?？梢蕴岣卟牧系木w質(zhì)量. 從測試角度解決方法是適當(dāng)優(yōu)化FTIR步進掃描的速度、斬波器的轉(zhuǎn)速、外置偏壓的大小、優(yōu)化光源與樣品耦合、改變測試溫度、更換被測臺面單元、優(yōu)化器件臺面工藝等.

(a)氮化物寬勢壘結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶邊及電子能級

(b)寬勢壘與窄勢壘暗電流的對比

(c)寬勢壘結(jié)構(gòu)的光吸收譜

(d)寬勢壘結(jié)構(gòu)的光電流譜圖12 寬勢壘量子阱對器件輸運性質(zhì)的影響

(a)氮化物臺階量子阱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)帶邊及電子能級

(b)臺階量子阱結(jié)構(gòu)的光吸收和光電流譜圖13 臺階量子阱對器件輸運性質(zhì)的影響

4 結(jié)束語

本文通過對ISBT結(jié)構(gòu)中勢壘厚度的研究降低了器件暗電流，提高了探測信噪比，通過臺階量子阱結(jié)構(gòu)和納米柱核-殼結(jié)構(gòu)調(diào)制了極化場，部分解決了ISBT紅外探測中電子縱向輸運難題，實現(xiàn)了氮化物3～5 μm紅外探測器原型器件，同時驗證了單片集成紫外-紅外雙色吸收. 該工作主要在北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心完成，量子阱結(jié)構(gòu)在北京大學(xué)MBE實驗室生長制備.

開展科學(xué)研究通常面臨結(jié)果未知或理論設(shè)計效果不理想等客觀問題，要正確對待. 實驗中會遇到材料生長和器件測試方面的各種難題，如果探測信號響應(yīng)較弱或沒有信號應(yīng)該通過對比樣品、控制變量等方法查看相應(yīng)結(jié)果如何變化，或者通過估算、多維度優(yōu)化、查文獻、探討交流等方式積極尋找原因，該過程有利于對研究對象的性質(zhì)有基本的判斷，提升實驗技能、積累實驗經(jīng)驗，為實驗的后續(xù)進展做充分準(zhǔn)備.

當(dāng)前大學(xué)物理實驗教學(xué)內(nèi)容越來越注重綜合性、設(shè)計性和研究性，讓學(xué)生盡早掌握科學(xué)的研究方法、分析問題的思路和解決問題的能力，為學(xué)生以后獨立開展科研創(chuàng)新做了準(zhǔn)備，希望本文能對相關(guān)實驗教學(xué)提供借鑒.

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