GaN基量子阱紅外探測器的設計

摘要：為了實現GaN基量子阱紅外探測器，利用自洽的薛定諤-泊松方法對GaN基多量子阱結構的能帶結構進行了研究。考慮了GaN基材料中的自發極化和壓電極化效應，通過設計適當的量子阱結構，利用自發極化和壓電極化的互補作用，設計出了極化匹配的GaN基量子阱紅外探測器，為下一步實現GaN基量子阱紅外探測器做好了準備。
關鍵詞：GaN；量子阱；紅外探測器；極化匹配

0 引言
紅外探測技術在軍用和民用上都具有重要的意義，在軍事方面的應用主要包括了目標獲取、監視、夜視、制導等方面，在民用上主要包括了熱效率分析、遠程溫度感應、短距離無線通信、光譜學、天氣預報、天文學、森林防火、安防、醫療等方面。
1962年Kruse和Rodat改進了HgCdTe紅外探測器，使其開始應用于單元探測器和線性陣列。HgCdTe紅外探測器是利用窄禁帶半導體的帶間吸收進行紅外。光探測的。由于該類材料中外延生長條件，即窗口比較窄，材料的均勻性不是很好，抗輻照能力差，因而使應用受到了一定的限制。另外一類紅外探測器是利用子帶吸收的量子阱紅外探測器，通過能帶工程的方法，利用量子阱的子帶躍遷來吸收紅外光。這種方法不受材料本身禁帶寬度的限制，為紅外光的探測提供了新的思路。1988年貝爾實驗室Levine小組首先報道了GaAs／AlGaAs量子阱紅外探測器，與HgCdTe探測器相比，量子阱紅外探測器的優點是材料的均勻性好，器件制作工藝成熟，抗輻照能力強。對于大規模的焦平面陣列探測器，這些優點表現得更為明顯。

1 GaN基材料及器件
GaN基半導體具有寬禁帶、直接帶隙、高電子飽和速度、高擊穿電壓、小介電常數等優點。優越的物理化學穩定性，使其可以在苛刻的條件下工作，適合制備多種器件。其中，四元混晶InAlGaN的帶隙，隨著各組成組分的調整可在0．7～6．2 eV范圍連續變化。
不同于其他的III-V族化合物半導體材料，如六角立方結構的氮化物半導體材料中在沒有外電場存在的情況下存在著很強的內建極化場。GaN基半導體材料總的宏觀極化場是平衡結構的自發極化場與由于應力引起的壓電極化場之和。其中，壓電極化來源于材料中由于晶格失配而導致的應力，自發極化則來源于晶格中陽離子和陰離子的非對稱性。由于極化電場的存在，材料中形成了電荷的積累，使得半導體材料的能帶產生了彎曲，產生了鋸齒狀的能帶結構。
目前，常用的GaN基器件主要包括了藍、綠光發光二極管(LED)器件和GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件。在藍、綠光LED器件中，通常利用GaN／InGaN／GaN多量子阱結構作為有源發光層，而在GaN基HEMT器件中利用AlGaN／GaN異質結來形成導電溝道。極化效應在不同的器件中起到了不同的作用，在藍、綠光LED器件中，鋸齒狀的能帶彎曲抑制了載流子的輸運，降低了器件的效率；在GaN基HEMT器件中，可以利用AlGaN／GaN異質結極化場所產生的極化電荷作為導電溝道中的載流子，從而提高了器件的性能。

2 GaN基量子阱紅外探測器設計
與以GaAs／AlGaAs為代表的傳統量子阱紅外探測器相比，GaN基量子阱紅外探測器具有如下優點：
(1)更簡單的系統結構。由于GaN系材料本身是寬禁帶材料，對可見光無響應，不需要濾波裝置。
(2)高穩定性和寬適用范圍。由于GaN系材料的物理、化學性質穩定，暗電流低，抗輻射性能強，適用惡劣環境。
(3)更快的響應速度。由于激子和聲子的相互作用，GaN系極性半導體中的光學過程很大程度上受到LO聲子的影響，因此子帶電子的弛豫過程非常快(壽命大概是140～400μs)，可以用于Tb／s的數據通信。