GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的设计

刘红梅，董丽娟，吕良宇

（1.山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同037009；

（2.山西大同大学固体物理研究所，山西大同 037009）

红外探测器是一种将裸眼看不到的红外辐射转变成电信息的器件，能广泛地应用在众多领域，如航空航天[1]，雷达侦察[2]，天文学观察、设备故障诊断[3-4]、环境监测、医疗成像等。目前市面上红外探测器的种类繁多如HgCdTe 红外探测器、InSb 红外探测器、PtSi 肖特基探测器、量子阱红外探测器等，虽然这些探测器都能很好地实现相应的探测功能，但是从成本、性能等方面考虑，量子阱红外探测器以其独特的魅力引起了人们的广泛关注[5-6]。具体来说，与其他体相探测器（如HgCdTe 红外探测器）相比，量子阱红外探测器由于采用独特的子带间跃迁方式[7]，因而其显示出诸多优点，如均匀性好、制备成本低廉、响应率高、可靠性高、能在室温下工作等良好的性能，使得量子阱红外探测器极有可能成为现代红外探测系统的核心，同时也成为工程师追逐的热点问题和研究对象[8-9]。为了获得理想的高性能量子阱红外探测器，人们从影响探测器性能的关键因素（如材料、结构等）入手研究探测器的优化设计。2010年孙莹等人从实验和理论两方面研究了不同掺杂浓度下的GaAs/AlxGa1-xAs 量子阱红外探测器的光谱响应[10]。2014年，周州等人通过将双面金属光栅应用到量子阱红外探测器上来提高探测器的效率[11]。同年，人们还从实验的角度探讨了影响量子点红外探测器的暗电流的因素，从而获得提高探测器探测性能的方法[12]。2015年，胡小英等人利用采用金属有机物化学气相沉积法制备出势垒高度不同GaAs/AlxGa1-xAs QWIP 样品，并借助傅里叶红外光谱仪确定了探测器响应波长随着势垒高度的增加蓝移的规律[13]。这些工作基本上都是从实验制备的角度研究了探测器材料掺杂浓度、光栅结构等对GaAs/A1GaAs 量子阱红外探测器探测性能的影响，很少有人从光学传输的角度去研究量子阱红外探测器的探测情况。实际上，量子阱红外探测器的光学传输情况对探测器的性能起着关键性的作用。因此，本文从探测器光学传输情况入手，利用电磁仿真软件设计了5 个周期的GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器，分析了该探测器的光学传输情况（包括反射、透射，吸收），确定了量子阱红外探测器的最优探测波段，并进一步讨论了近红外波段量子阱阱宽对反射频谱峰的影响，最终确定量子阱红外探测器的最优阱宽，以期为获得高性能量子阱红外探测器提供理论支持。

1 GaAs/AlGaAs QWIP的建模

量子阱红外探测器采用n-i-n 型纵向层状结构，如图1 所示，该探测器的主体结构是由多个周期的GaAs和AlGaAs材料交替构成的多量子阱纳米复合层。在复合层的底部和顶部增加了低掺杂n型GaAs 作为欧姆接触层，用来消除高能射线引起的噪声信号（如电子）。为了使我们设计的量子阱红外探测器的能级结构达到要求，可以通过不断调节AlGaAs 势垒层中Al 的掺杂比例、势阱的宽度参数来满足应用的需求[10]。根据图1 给出的QWIP 的层状结构，我们构建了平面大小为100 nm × 100 nm的量子阱红外探测器的物理模型（见图2）。从左往右看，在探测器的两端（顶部和底部）是低掺杂n型GaAs 电极欧姆接触层，其厚度为15 nm，介电常数为10.9。中间部分是重复的由Al0.15Ga0.85As材料和GaAs材料构成的量子阱复合层，其中势垒层Al-GaAs 厚度为70 ～90 nm 范围内可调，介电常数为12.9；GaAs 势阱层厚度设为3 ～ 9 nm 范围内可调，其介电常数则为13.1。

图1 QWIP的层状结构

图2 QWIP的三维模型图

2 结果与讨论

2.1 电磁仿真

根据前面建立的量子阱红外探测器物理模型，我们选用了70 nm AlGaAs/ 8.2 nm GaAs 势阱复合量子阱层状结构。让80 Thz的红外光沿着z轴斜入射到探测器的光敏区（图3 中的1 端口），从电磁波的角度讨论、分析量子阱红外探测器中电磁场分布情况。图3给出的是量子阱红外探测器在80 Thz频率（对应1 000 nm波段）红外光入射时z轴方向电场分布情况。从该图可以看出，沿z 轴的电磁波在低掺杂n型GaAs欧姆电极层有明显反射，其次在各量子阱材料分界面以及材料外表面均有反射，透射，而且透射随着从z 轴不断地深入，颜色从红绿色变到紫蓝色，表明红外光的透射沿着z 轴越来越弱，这种现象的产生是因为探测器的吸收导致的。这里，量子阱红外探测器的磁场图我们没有给出，它也随着探测器的吸收而变得越来越弱。图4给出的是从端口1入射时的量子阱红外探测器的能量密度变化情况，刚开始显示红色的，表明能量最强，可以达到1.35×1013VA/m2。能量从探测器的最顶端入射传输到探测器的底端，颜色由红色、绿色、蓝紫色变为蓝色，说明随着探测器对入射光波的吸收，透射光的能量越来越弱，最后接近于零。导致这种现象的原因是探测器对入射红外光的吸收。随着入射光逐渐进入探测器的多个量子阱层，探测器的吸收也逐渐变强，利用光电导效应将入射的光能量不断地转变成电能，最终实现量子点红外探测器对红外光的探测。

图3 QWIP 的电场分布

图4 QWIP的能量分布

2.2 不同势阱宽度下QWIP探测峰值

量子阱红外探测器建模完成后，让频率为200 ～400 THz范围的红外光斜入射到GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器上，通过分析探测器对红外光的反射、透射、吸收情况，我们初步确定GaAs/AlGaAs量子阱探测器的最小吸收峰值，在忽略透射的情况下，进而确定最后量子阱探测器的最优探测波段（峰值）。

图 5 给出 GaAs/AlGaAs QWIP 对 200 ～ 400 THz范围内的红外光的反射情况。该探测器采用90 nm厚度的 AlGaAs 势垒和 5.6 ～ 6.5 nm 厚度的 GaAs 势阱。通过仿真对比发现，采用5.7 nmGaAs势阱的探测器时显示出最低的反射系数-16.45 dB,相应的红外波段为306.6 THz，在此波段探测器反射最弱，在忽略透射的影响的话，此波段的吸收最强，即探测效果最佳。当然，我们也可以考虑一下此时的透射情况。根据图6所示的不同红外波段下探测器的透射系数可以发现，采用t=5.7 nm势阱时探测器透射系数虽然比其他厚度的探测器（6.5 nm，6 nm，5.8 nm, 5.6 nm…）的透射系数大些，但是在306.6 THz波段其透过系数低于-20 dB，和其他不同厚度势阱的透射情况一样，数值小到可以忽略，因此在忽略其他形式的损耗时,根据能量守恒的原则，此时探测器的吸收是最强的,即此时探测效果最佳，从而确定978 nm(对应频306.6 THz)波段为该探测器的最优探测波段。

图5 QWIP的反射系数

图6 QWIP的透射系数

为了弄清势阱对量子阱红外探测器的影响，我们比对了不同势阱宽度下量子阱红外探测器的反射情况。如图7所示，当量子阱红外探测器中势阱厚度t分别取[3，4，5，6，7，8，9]nm值时，探测器的最低反射峰值位于300 ～317 THz 频率范围的近红外光区域，对应波段为996 ～1000 nm。具体来说，当t=3 nm时，反射最低峰值为-11.24 dB，探测频率为313 THz。随着势阱厚度的不断加深，t=5 nm 时探测器的最低反射峰值为-10.38 dB，对应的频率为304.2 THz，t=7 nm 时，对应的最低反射峰值为-10.38 dB，对应频率为304.2 THz，t=9 nm 时，最低反射峰值为-9.87 dB，对应频率为299.8 THz。纵观不同势阱厚度下的量子阱红外探测器的反射情况，我们发现，当探测器势阱厚度为5 nm时，探测器具有最低反射峰值。根据能量守恒定律，在忽略探测器透射的情况下，此时探测器对光的吸收情况最强，从而确定量子阱红外探测器的最佳阱宽为5 nm。另外，我们还能发现，随着势阱厚度的增加，量子阱红外探测器的最低反射率从313 THz 逐步向299.8 THz频率段移动，即向长波方面移动。

图7 不同阱厚下QWIP的反射系数

3 结论

文章首先对GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器进行了设计，该探测器的主体采用5 个周期的GaAs/AlGaAs 量子阱纳米结构，顶部和底部采用n型GaAs 材料接触层。之后，让750 ～1500 nm 波段红外光斜入射到GaAs/AlGaAs QWIP 上，借助电磁仿真软件，计算了该探测器对入射红外光的反射、透射情况。结果表明，该探测器在978nm波段时反射最小，其相应的反射系数为-16.45 dB，同时在此波段透射也比较弱，透射系数小于-20 dB,可以忽略，综合探测器的反射情况和透射情况，明确探测器在此波段的吸收效果是最好的，即此波段是探测器的最佳探测波段。此外，我们还研究了不同势阱厚度（3 ～9 nm）下量子阱红外探测器的反射最低峰值，明确了随着势阱宽度的增加探测器反射峰值向长波方向移动的规律，并明确了量子阱红外探测器的最佳势阱宽度为5 nm,最终达到为获得理想的高性能量子阱红外探测器提供理论支持。