量子点红外探测器的性能优化

刘红梅，董丽娟，石云龙

（1.山西大同大学固体物理研究所，山西大同037009）(2.山西省高等学校重点实验室（山西大同大学），山西大同037009）

量子点红外探测器的性能优化

刘红梅1,2，董丽娟1,2，石云龙1,2

（1.山西大同大学固体物理研究所，山西大同037009）(2.山西省高等学校重点实验室（山西大同大学），山西大同037009）

量子点红外探测器是近年来出现的一种新型低维纳米结构探测器，因其优越的特性引起了人们的广泛关注。本文给出了一种估算量子点红外探测器光电流的方法，并以此为基础，进一步研究了探测器结构对光电流性能的影响。结果显示，当结构参数层内量子点密度和量子点横向尺寸的取值都比较小时，探测器能获得一个高的光电流。

量子点红外探测器；光电流；性能优化

随着探测器应用范围的不断扩大，人们对探测器性能的要求越来越高。光电流作为量子点红外探测器的一种重要性能，其取值大小代表着量子点红外探测器对红外光的转变能力的大小，引起了人们的广泛关注[1-3]。2010年，A.Rogalski等人通过考虑电子的热激发和场辅助隧穿激发建立了量子点红外探测器的模型，实现了光电流的计算[4]。2012年通过考虑纳米尺度电子传输和微米尺度电子传输的影响更新了光电流的计算方法[5]。在此基础上，2014年光电流的计算被进一步细化，考虑了外加偏置电压对电子迁移率的影响[6]。基于上面的这些工作，本文主要对量子点红外探测器光电流的估算方法进行了研究，通过进一步分析结构参数对探测器性能的影响，给出了量子点红外探测器光电流性能的优化方法。

1 算法

众所周知，当红外光入射到量子点红外探测器的光敏区时，处于基态的电子跃迁到激发态，这些处于激发态的电子在探测器外加偏置电压的作用下发生定向运动，形成探测器的光电流，因而量子点红外探测器的光电流为

其中，e是电子电荷，Φs是入射到探测器上的光通量，η是量子效率，gp光电导增益，它等于电子的寿命与电子的渡越时间的比值[4]，即

其中，K是量子红外探测器中量子点复合层的层数，Pk是俘获概率,满足[7]:

其中，P0k为不带电量子点对电子的俘获概率，取值为1；aQD是量子点的横向尺寸；NQD是量子点内所含的最大电子数的平均值；εr是构成量子点材料的相对介电常数；N是量子点内平均电子数。在量子红外探测器中，确定量子点内平均电子数是一个极其复杂的问题，可根据暗条件下的电流平衡关系来得到，这在文献[6]中有具体的讨论。

将(3)式带入(2)式，能得到：

在量子点红外探测器中，量子效率η依赖于量子点内平均电子数，能写为[4-6]:

其中，δ是电子俘获截面系数，∑QD是层内量子点密度。

将(4)式和(5)式带入(2)式，得：

其中，δ为电子俘获截面系数，Φs为入射的光通量值，其取值为8×1017photons∕cm2s。

2 结果与讨论

根据前面给出的方法，本小节给出了量子点红外探测器光电流的计算结果，并验证了其计算的正确性，此外还进一步研究了结构参数对探测器光电流性能的影响。表1是用于计算量子点红外探测器光电流的相关参数的取值[4-5,9]。

表1 量子点红外探测器的参数

图1 100K时探测器的光电流

图1是温度在100K时，量子点红外探测器的光电流。在这个图中，标记为红色三角形的曲线代表根据上面的方法得到的计算值，标记为黑色方块的曲线是实验测量值[9]。比较这两条曲线发现，整体上理论计算值和实验测量值比较一致，这证实了本文给出的光电流计算方法是正确的。然而，我们也能注意到零电场附近的计算值和实验值存在一定的差异，这可能是由计算时没有考虑一些参数如μ对电场强度的依赖性导致的。此外，这些曲线还随着电场强度的增加而增加。以理论计算的结果为例，当电场强度从2 kV∕cm增加到8 kV∕cm时，光电流从0.54 A增加到1.29 A。实验曲线也显示同样的增加趋势。光电流的这种增加趋势能解释为：当电场强度增加时，电子的运动速度加快，形成光电流的电子增多，最终导致光电流变大。

图2 层内量子点密度对光电流的影响

图2是量子点层内密度对光电流的影响。在确定的外加偏置电场5 kV∕cm下，层内量子点密度为2×1010cm2时量子点红外探测器的光电流为6.44×104A，当层内量子点密度增加10×1010cm2时，光电流则降低到0.391 A。同样，当层内量子点密度从2×1010cm2增加到10×1010cm2，在8 kV∕cm和10 kV∕cm的电场强度下的光电流也分别发生了从5.39× 105A到0.60 A和从2.76×106A到0.80 A的降低。这些光电流的降低趋势充分体现了光电流对结构参数层内量子点密度的依赖性。

图3 量子点横向尺寸对光电流的影响

图3显示了光电流对结构参数量子点的横向尺寸的依赖性。当量子点的横向尺寸从20 nm增加到40 nm时，对应着5 kV∕cm、8 kV∕cm、10 kV∕cm电场下的光电流分别发生了从0.77 A到0.11 A、从1.29 A到0.15 A、从1.85 A到0.19 A的降低。这种光电流随量子点横向尺寸的增加而降低的趋势和前面给出的量子点层内密度对光电流的影响一起为探测器的性能优化提供了理论依据和参考方法。在外加偏置电压确定的情况下，量子层内密度越小，量子点横向尺寸越小，探测器的光电流也就越大，探测器的性能也越好。

3 结论

本文给出了一个量子点红外探测器光电流的计算方法，通过考虑光电流增益和量子效率对电场强度的依赖性，实现了光电流的估算和表征，并进一步研究了探测器结构参数（层内量子点密度和量子点横向尺寸）对探测器光电流的影响。结果显示，在确定的电场强度下，只有当层内量子点密度和量子点横向尺寸的取值比较小时，探测器才有好的性能，获得一个高的光电流。

[1]Carbone A,Introzi R,Liu H.Photo and dark current noise in self-assembled quantum dot infrared photodetectors[J].Infrared Phys⁃ics＆Technology，2009(52):260-263.

[2]Liu H,Zhang J.Physical model for the dark current of quantum dot infrared photodetectors[J].Optics&Laser Technology，2012 (44):1536-1542.

[3]Jahromi H D,Sheikhi M H,Yousefi M H.Investigation of the quantum dot infrared photodetectors dark current[J].Optics&Laser Technology，2011(43):1020-1025.

[4]Martyniuk P,Rogalski A.Insight into performance of quantum dot infrared photodetectors[J].Bulletin the Polish Academy of Scienc⁃es:Technical Scinences,2009(57):103-116.

[5]Liu H,Zhang J.Performance investigations of quantum dots infrared photodetector[J].Infrared physics and Technology,2012,55(4): 3320-3325.

[6]Liu Hongmei,Tong Qinghua,Liu Guizhi,et al.Performance characteristics of Quantum Dot Infrared Photodetectors under illumina⁃tion condition[J].Optical and Quantum Electronics，DOI:10.1007∕s11082-014-9947-6.

[7]Stiff A D.Contribution of Field-Assisted Tunneling Emission to Dark Current in InAs-GaAs Quantum Dot Infrared Photodetectors [J].IEEE photonics technology letters，2004(16):867-869.

[8]Lin S,Tsai Y,Lee S.Comparison of InAs∕GaAs Quantum Dot Infrared Photodetector and GaAs∕(AlGa)As Superlattice Infrared Photo⁃detector[J].Journal of Applied Physics，2001(40):L1290-L1292.

Performance Optimization of Quantum Dot Infrared Photodetectors

LIU Hong-mei1,2,DONG Li-juan1,2,SHI Yun-long1,2
(1.Institute of Solid State Physics,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009；2.Shanxi Higher Education Key Laboratory of New Microstructure Function Materials（Shanxi Datong University）, Datong Shanxi,037009)

Quantum dot infrared photodetector is a novel lower-dimensional nano-structure detectors appearing in recent years, and it attracts a wide attentions due to its superior properties.In this paper,the method used to estimation of the photocurrent in the quantum dot infrared photodetectors is given,moreover,the influences of the structure on the photocurrent are also discussed based on this method.The results show that the detector can obtain a high photocurrent when the structure parameters such as the quantum dots density in a layer and the lateral size of the quantum dot are small in the values.

quantum dot infrared photodetector;photocurrent;performance optimization

TP311

A

1674-0874(2014)04-0014-03

2014-06-12

国家自然科学基金项目[61307121];山西大同大学博士科研启动基金资助项目[2012-B-04]

刘红梅(1980-)，女，山西山阴人，博士，讲师，研究方向:主要从事光电探测器方面的研究。

〔责任编辑 高彩云〕