基于量子結(jié)構(gòu)的暗電流特性研究

基于量子結(jié)構(gòu)的暗電流特性研究

1.暗電流特性的計(jì)算負(fù)范紅色探測(cè)器是繼鎘鉻紅色探測(cè)器之后的另一個(gè)重要的紅外探測(cè)器。它對(duì)中長(zhǎng)波段和長(zhǎng)波段的探測(cè)，尤其是長(zhǎng)波段（8-14m）和長(zhǎng)波段（14m）的工作段進(jìn)行了研究。評(píng)價(jià)體系的同一性，尤其是暗電流特性，是評(píng)價(jià)體系中甲殼干燥反射特性的一個(gè)極為重要的參數(shù)，對(duì)設(shè)備的噪聲和水溫有顯著影響。人們對(duì)不同結(jié)構(gòu)的公務(wù)員紅外探測(cè)器及其相關(guān)設(shè)備材料的物理特性實(shí)驗(yàn)研究和理論研究以及對(duì)儀器系統(tǒng)的優(yōu)化研究都沒(méi)有完成。然而，適合計(jì)算量周值紅外展開(kāi)子探測(cè)的模型，尤其是大型復(fù)雜波前波后，人們對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。然而，該模型中的暗電流在很大方面仍然是不完整的。ws等人報(bào)告了8-10m附近多帶栽培池探測(cè)器的暗電流。理論上，對(duì)暗電流的研究主要是為了克服變量池的熱發(fā)射和熱支撐，并忽視了對(duì)電極層的酸流的注入。模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間存在很大差距。李等人后來(lái)在8.5m至70nm公務(wù)員的指導(dǎo)報(bào)告中建立了適合黑暗條件下60k以上動(dòng)態(tài)頻率范圍的多帶源紅外探測(cè)器的新模型。該模型的自干在八個(gè)子帶內(nèi)的20個(gè)周期內(nèi)為m，四個(gè)周期內(nèi)的多個(gè)子帶外反射器為稱取評(píng)價(jià)，模型的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值之間仍然存在很大差距。它是隨著子帶周期的變化而設(shè)計(jì)的。對(duì)。thiba以外的人員在40個(gè)周期內(nèi)提出了一個(gè)新模型，在黑暗條件下提供了一個(gè)紅色對(duì)照模型。該模型的自干在探測(cè)過(guò)程中考慮了基本的測(cè)量機(jī)制，并且從電極層中注入了能量損失，并在每個(gè)范圍內(nèi)捕獲和發(fā)射。計(jì)算的暗電流值與實(shí)驗(yàn)相比可以達(dá)到良好的一致性。ryzri等人使用自干算法理論上研究了ias-gaas多帶紅外探測(cè)器。結(jié)果表明，最靠近發(fā)射極形成的近盾是限制該設(shè)備黑暗流動(dòng)的一個(gè)重要因素。本文從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面研究響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在15μm附近,周期大于40的甚長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的暗電流特性.理論上先采用量子波輸運(yùn)理論對(duì)實(shí)際器件的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究,著重考察電子從發(fā)射極到第一個(gè)量子阱的輸運(yùn)概率以及相應(yīng)電子態(tài)的占據(jù).接著通過(guò)薛定諤方程和泊松方程以及電流連續(xù)性方程的自洽求解研究整個(gè)甚長(zhǎng)波量子阱器件的能帶結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的電子分布情況,進(jìn)而得出甚長(zhǎng)波器件的暗電流特性,并跟實(shí)驗(yàn)結(jié)果及平帶模型的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較.2.器件的暗電流模型圖1給出甚長(zhǎng)波多量子阱器件的導(dǎo)帶能帶結(jié)構(gòu)及其暗電流機(jī)理示意圖.當(dāng)每個(gè)量子阱中的基態(tài)電子處于平衡態(tài)時(shí),它們通過(guò)(a)直接的勢(shì)壘隧穿(電子從一個(gè)量子阱的局域態(tài)穿越勢(shì)壘到達(dá)另一個(gè)量子阱);(b)熱發(fā)射(勢(shì)阱中電子受熱激發(fā)到達(dá)連續(xù)態(tài));(c)熱輔助隧穿而傳輸?shù)狡渌麉^(qū)間(如相鄰的量子阱區(qū)或勢(shì)壘之上的連續(xù)態(tài)).這三個(gè)效應(yīng)即形成了多量子阱器件的暗電流.其中(b)和(c)本質(zhì)上都跟熱激發(fā)密切相關(guān),故有文獻(xiàn)將其歸并為熱激發(fā).甚長(zhǎng)波量子阱器件的電流表達(dá)成Ιi=JiAD=eviniAD,(1)Ii=JiAD=eviniAD,(1)這里Ji為電流密度,AD為量子阱器件的橫截面積,e為電子電荷,vi是載流子的平均漂移速度,定義為vi=μFi+1[1+(μFi+1vs)2]-1/2?(2)式中vs為載流子的飽和漂移速度,取值在0.1×106和5.0×106cm/s之間,μ為弱場(chǎng)下載流子的遷移率,對(duì)n型的GaAs/AlGaAs的量子阱紅外探測(cè)器而言,其值為2000cm2/(V·s),Fi+1為勢(shì)壘(i+1)的電場(chǎng)強(qiáng)度.ni為勢(shì)阱i對(duì)應(yīng)的可動(dòng)載流子,可由下式得到:ni=1Lp∑n∫2dk(2π)2?ti(En,Ek,Fi+1)×f(En,Ek,Efi),(3)其中Lp是器件的一個(gè)周期長(zhǎng)度(阱寬Lw+壘寬Lb),k為xy平面內(nèi)的波矢,n為量子阱區(qū)的子能級(jí)的標(biāo)號(hào)(包括局域態(tài)的能級(jí)以及連續(xù)態(tài)的能級(jí)),t(En,Ek,Fi+1)為依賴于勢(shì)壘電場(chǎng)強(qiáng)度的透射系數(shù),f(En,Ek,Efi)為費(fèi)米-狄拉克分布,其中Efi為勢(shì)阱i的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí).發(fā)射極和集電極的可動(dòng)載流子濃度則由下式確定:n0=∫dk2π∫2dk(2π)2t(Ek,Ek)f(Ek,Ek,Efe),(4)其中f(Ek,Ek,Efe)對(duì)應(yīng)的是三維體材料的費(fèi)米積分,k為z方向上的波矢.甚長(zhǎng)波器件的泊松方程為d2ψ(z)dz2=-eε(z)[Νd(z)-n(z)]?(5)這里ψ(z)為靜電勢(shì),ε(z)為器件材料的介電函數(shù),Nd(z)為施主濃度,n(z)為器件體系的電子濃度分布.如圖2的甚長(zhǎng)波多量子阱器件的漂移-擴(kuò)散模型示意圖所示,考慮量子阱i對(duì)可動(dòng)載流子的俘獲以及電流連續(xù)性和載流子的守恒條件這里Si+2為量子阱(i+2)的二維載流子濃度,βi為量子阱i的載流子俘獲概率.在穩(wěn)態(tài)時(shí)dSi+2/dt=0,由此得Ii+2=Ii,即為器件的暗電流.3.波量子私權(quán)器件的結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)用的甚長(zhǎng)波量子阱器件材料是在MBE系統(tǒng)上生長(zhǎng)的,結(jié)構(gòu)為50周期的GaAs(6.0nm)/AlGaAs(60nm)的多量子阱結(jié)構(gòu),其中勢(shì)阱的Si摻雜濃度n+=2.0×1017cm-3,勢(shì)壘中Al的摩爾組分的標(biāo)稱值為0.15,根據(jù)器件材料的光熒光光譜計(jì)算值為0.147;上電極層的厚度為1.25μm,下電極層的厚度為1.75μm,Si摻雜濃度n+=1.0×1018cm-3,將材料光刻制作成240μm×240μm的線列臺(tái)面,同時(shí)光刻和蒸鍍直徑150μm的圓形上電極和邊長(zhǎng)為300μm的方形下電極,經(jīng)過(guò)合金化和In球熔焊等工藝,制備出256×1元線列探測(cè)器并安裝到液氦制冷機(jī)中.用Keithly源表測(cè)量30K—60K溫度下的暗電流實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示.由于整個(gè)器件體系在xy平面內(nèi)的平移對(duì)稱性,勢(shì)阱i的波函數(shù)可由下列薛定諤方程和泊松方程決定:?n(k)=?n(z)u(r)eik?ρ?[-?22m*??2?z2+V(z)]?n(z)=En?n(z),(7)這里k=(kx,ky)和ρ分別是xy平面內(nèi)的波矢和坐標(biāo),u(r)是布洛赫函數(shù).通過(guò)求解上述薛定諤方程我們確定量子阱中只存在一個(gè)束縛態(tài),在40K的器件工作溫度下為55.5meV(取GaAs導(dǎo)帶邊為零勢(shì)能面).可見(jiàn)所設(shè)計(jì)的甚長(zhǎng)波量子阱器件結(jié)構(gòu)屬于束縛態(tài)—連續(xù)態(tài)(B-T-C)躍遷類型,而區(qū)別于以前設(shè)計(jì)的束縛態(tài)—束縛態(tài)(B-T-B)類型.這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是在外加偏壓下光生載流子直接從基態(tài)躍遷到連續(xù)態(tài)而最大限度的減少激發(fā)態(tài)電子的勢(shì)壘隧穿,從而減小器件的暗電流;同時(shí)通過(guò)增大勢(shì)壘(達(dá)60nm)來(lái)進(jìn)一步抑制基態(tài)電子的隧穿.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,制備的甚長(zhǎng)波器件在40K溫度下暗電流達(dá)到10-8A,比同波段B-T-B類型的量子阱器件的暗電流低3個(gè)數(shù)量級(jí).為深入理解甚長(zhǎng)波量子阱器件的電流電壓特性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,先采用量子波輸運(yùn)理論對(duì)實(shí)際器件的輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行研究.由于電子從發(fā)射極到第一個(gè)量子阱的輸運(yùn)以及從量子阱i到下一個(gè)勢(shì)阱(i+2)(中間為勢(shì)壘(i+1))的輸運(yùn)均為量子波輸運(yùn),設(shè)發(fā)射電子波的量子阱(或者發(fā)射極)i的波函數(shù)為eiqi,j+2z+ri,i+2e-iqi,i+2z,而收集輸運(yùn)波的勢(shì)阱(i+2)的波函數(shù)為ti,i+2eiqi,i+2z,相應(yīng)的電流密度可由下式計(jì)算:Ji,i+2=e∫2dk(2π)2(ti,i+2?qi,i+2m*fi-ti+2,i?qi+2,im*fi+2),(8)這里ti,i+2是電子從量子阱i到量子阱i+2的輸運(yùn)波的透射系數(shù),fi為量子阱i的費(fèi)米分布函數(shù),由量子阱i的費(fèi)米能級(jí)Efi決定.依據(jù)上述理論,先計(jì)算零偏時(shí)40K溫度下從器件發(fā)射極到第一個(gè)量子阱的輸運(yùn)概率(計(jì)算結(jié)果如圖4所示).我們看到當(dāng)入射電子能量高于勢(shì)壘時(shí)傳輸概率將接近于1,但是相應(yīng)的這些態(tài)的電子占據(jù)卻很低;而甚長(zhǎng)波器件的勢(shì)壘很厚,發(fā)射極費(fèi)米能級(jí)附近的電子很難透射到第一個(gè)量子阱.可見(jiàn),在甚長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器中,電流密度一般很低,暗電流主要來(lái)源于能量高于勢(shì)壘邊的熱激發(fā)電子.甚長(zhǎng)波量子阱器件的上下電極層的摻雜濃度均為1.0×1018cm-3,在40K工作溫度下電極層的費(fèi)米能級(jí)為54.4meV(相對(duì)于GaAs導(dǎo)帶邊).根據(jù)前面求出的40K溫度下量子阱的基態(tài)子能級(jí),由下式可求出量子阱i中的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)Ef,i:Si=m*kBΤπ?2ln[1+exp(Ef,i-EikBΤ)].(9)將泊松方程和薛定諤方程聯(lián)合來(lái)進(jìn)行自洽求解,得到整個(gè)甚長(zhǎng)波量子阱器件的能帶結(jié)構(gòu)(如圖5所示)及相應(yīng)的載流子濃度分布(如圖6所示).可以看到電場(chǎng)在整個(gè)器件體系上分布不均勻,靠近發(fā)射極區(qū)的電場(chǎng)分布強(qiáng),占所加偏壓的相當(dāng)部分.在小偏壓下靠近發(fā)射極的勢(shì)壘傾斜得尤為厲害,而遠(yuǎn)離電極層的勢(shì)壘上的電場(chǎng)強(qiáng)度比較小,且比較均勻.隨著偏壓的加大,電場(chǎng)才加到遠(yuǎn)離電極層的勢(shì)壘上,如圖5中6V偏壓的情形.如前所述,在穩(wěn)態(tài)時(shí),量子阱區(qū)連續(xù)態(tài)上的漂移電流最初由發(fā)射極注入,而發(fā)射極電流的注入受發(fā)射極區(qū)勢(shì)壘電場(chǎng)的控制.為了保證電流守恒,電場(chǎng)在器件體系上重新分布.電子在各量子阱的分布的變化,導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度在整個(gè)器件結(jié)構(gòu)上的非均勻分布.靠近發(fā)射極層的勢(shì)壘承載較強(qiáng)的電場(chǎng),對(duì)應(yīng)的量子阱的電子幾乎耗盡,這種情形在小的偏壓下尤為顯著,如圖5中0.1V偏壓的情形,靠近發(fā)射極的第1個(gè)勢(shì)壘承擔(dān)的電壓達(dá)到0.13V;0.5V偏壓下第1個(gè)勢(shì)壘承擔(dān)的電壓達(dá)0.28V.Liu等人曾在實(shí)驗(yàn)中觀察到這種外加偏壓下電子濃度在各量子阱重新分布的效應(yīng).作為比較,圖7同時(shí)給出器件在平帶模型(假定電子濃度在各量子阱均勻分布,電壓在整個(gè)器件體系上按均勻分布)下理論計(jì)算的暗電流.從圖7可見(jiàn)平帶模型下的甚長(zhǎng)波器件的理論計(jì)算值比實(shí)驗(yàn)值偏低,在小偏壓下偏離更遠(yuǎn).由于發(fā)射極電流的注入受發(fā)射極區(qū)勢(shì)壘電場(chǎng)的控制,在平帶模型下對(duì)于50個(gè)周期的甚長(zhǎng)波器件,電壓均勻分布在每個(gè)勢(shì)壘邊上,離發(fā)射極區(qū)勢(shì)壘承擔(dān)的電壓占所加電壓的1/51,大大低于自洽計(jì)算值,此時(shí)發(fā)射極注入的電子也會(huì)低于實(shí)際情況.隨著偏壓的增大,加在發(fā)射極區(qū)勢(shì)壘上的電壓占所加偏壓的比例有所減小,平帶模型的理論計(jì)算值跟實(shí)驗(yàn)值的差距也隨之減小.可見(jiàn)通過(guò)薛定諤方程和泊松方程以及電流的連續(xù)性方程的自洽求解,可以更好地解釋甚長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器的暗電流特性.4.自浚模型的實(shí)驗(yàn)采用量子波輸運(yùn)理論研究了甚長(zhǎng)波器件的載流子的輸運(yùn)性質(zhì).計(jì)算的結(jié)果表明,在甚長(zhǎng)波量子阱紅外探測(cè)器中,電流密度