NEA GaN基双色集成光电阴极的理论模型与结构优化

王壮飞 邓文娟 朱斌 周甜 吴粤川

（东华理工大学机械与电子工程学院 江西省南昌市 330013）

近年来，紫外、红外探测技术在水质监测、杀菌消毒与气象预报、矿产勘探等民用领域广泛应用，但是紫外探测距离较近，红外探测常受气候、目标伪装等因素影响[1-6]。红外-紫外双色探测技术能同时获得两个波段的信息，增强对目标物的辨识能力，显著提高系统的性能，有着极为重要的应用价值和发展前景[3-5]。光电阴极作为双色集成探测器的核心部分直接决定了探测器的整体性能，选择合适的光电阴极材料是实现双色探测的关键[7]。由于紫外、红外光敏材料对应响应波段不同，在能带带隙上具有很大的差异，因而对应着大的晶格失配，难以进行双色集成探测器的制备[1-2]。GaN 基三元合金AlxGa(1-x)N 材料具有宽禁带特性、直接带隙、高电子迁移率等优点，其禁带宽度随Al 组分增加在3.42 ～6.2eV连续变化[2]，是目前理想的紫外光电阴极材料，在紫外光谱已经有成熟的研究[7]。同时当前基于子带间跃迁（Intersubband transition，ISBT）的III 族氮化物量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)飞速发展[6]，使GaN 基材料逐渐成为研究双色集成光电阴极的首选。

为提高光电发射性能，广泛采用的是负电子亲和势（Negative Electron Affinity，NEA）GaN 基光电阴极，其具有响应度高、暗电流小等优点，是满足微弱探测要求且具有发展潜力的新型光电阴极[8]。同时已有文献显示量子级联探测（Quantum Cascade Detector,QCD）可在零偏压下工作[9-11]，解决了在没有外电场的作用下，光电子输运至阴极表面的问题，从而有望通过一个单片集成的NEA GaN 基量子级联光电阴极实现对紫外-红外双波段的探测。

本文设计了一种NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极，利用宽带隙材料的带间跃迁实现紫外吸收和基于子带间跃迁实现红外吸收，并通过仿真不同参数结构对器件性能的影响，不断优化单片集成的紫外-红外双色光电阴极的结构设计。

1 理论模型与工作原理

本文设计的光电阴极理论模型如图1所示。因GaN 基材料极化特性会影响探测性能且不同生长技术（MBE、MOCVD 等）具有不同的极化方向[12]，所以仿真分析时假设器件通过MOCVD 技术，生长方向为[0001]，极化方向沿[000-1]。总的极化强度等于自发极化和压电极化的总和。

图1：NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极结构图

器件结构如图1所示为蓝宝石（0001）衬底上外延生长AlN 缓冲层，接着是Al0.4Ga0.6N 下帽层，量子级联区（QCDs）单周期由p-GaN 势阱层和四周期的组分超晶格(i型Al0.5Ga0.5N 势垒层、i 型Al0.4Ga0.6N 传输)层)构成的级联输运区组成，然后是p-Al0.4Ga0.6N 上帽层，最后是p-GaN 表面发射层（EML）。

本文光电阴极同时实现了对紫外-红外波段的探测，根据Spicer 提出的光电发射“三步模型”[11]，GaN 基光电阴极对于紫外波段的探测分为光的吸收—光电子的输运—光电子的发射，如图2所示：

图2：NEA GaN 基光电阴极紫外波段探测原理图

第一步光的吸收：GaN 基材料在紫外光照射下，价带中的电子吸收入射光子的能量通过带间跃迁被激发至导带形成光电子。

第二步光电子的输运：即光电子在寿命期内通过扩散漂移运动在光电阴极体内向表面输运。输运过程中部分电子会与空穴发生复合而消失，也会因如声子散射、电离杂质散射等而损失能量。

对于NEA GaN 光电阴极，光电发射主要来源于已经热化的Γ能谷电子的发射，同时考虑到材料内部的内建电场E，p 型GaN 光电阴极扩散漂移方程可表示为[13-14]：

式（1）中，n1(x)是阴极材料发射层中产生的电子浓度，x对于反射式光电阴极是阴极内某点到发射表面的距离，Dn是电子扩散系数，μ是材料内的电子迁移率，是少数载流子寿命，Te是阴极发射层厚度。g(x)为光电子产生函数，表达式为：

式（2）中，I0是入射光的光强；是GaN 发射层对入射光的光吸收系数；R是阴极材料对入射光的反射率；设空间电荷区与发射层间的界面为x=0，且运动到表面的光电子或者被收集或者在表面被复合消失，则得到边界条件为：

第三步光电子的发射：输运至阴极表面的光电子隧穿势垒发射至真空。由于NEA 特性，隧穿过去的光电子可以轻易逸出，从而实现紫外波段的探测。但是存在一个逸出概率，光电子只能以一定几率逸出。

红外波段与紫外波段的探测主要区别在于入射光的吸收与光电子的输运，如图3所示。首先光的吸收是量子级联区p-GaN 量子阱导带中基态能级的电子吸收红外波段光子通过子带间跃迁至激发态能级上产生光电子；光电子的输运首先先通过共振隧穿(Resonant Tunneling,RT)的方式进入级联输运区（Cascade transport），再借助纵光学声子(Longitudinal Optical phonon,LO phonon)辅助隧穿的方式通过输运区，输运区各个量子阱的能级高度逐渐降低一个能量来保证较高级联输运效率；到达输运区末端电子通过扩散漂移运动通过上帽层并进入发射区中；最后光电子的发射同样是隧穿表面势垒逸出至真空中，从而实现量子级联光电阴极对红外波段的探测[9-11,15]。

图3：量子级联光电阴极红外波段光的吸收、光电子输运原理图

2 仿真结果与分析

本文使用半导体光电子器件仿真软件Nextnano 与Silvaco TCAD 对器件性能进行联合仿真，GaN 基光电阴极进行双色探测的难点在于红外波段。首先使用Nextnano 对量子级联区p-GaN 量子阱导带中的子能级进行仿真分析，从而确定敏感的红外波段。单周期量子级联导带仿真图如图4所示，因极化电场导致能带边发生弯曲。AlGaN 导带底向上弯曲，GaN 导带底向下弯曲，主要是因为AlGaN 体材料的费米能级高于GaN 体材料所致[12]。

图4：单周期量子级联导带仿真图

电子跃迁波长和跃迁能级差的关系式为[1]：

式（4）中h 是普朗克常数；c 是光速；E是电子进行子带间跃迁能级差，单位为eV；λ 是入射光子的波长，单位为μm。

图5 为光电阴极量子级联区域的p-GaN 量子阱导带中子能级与波函数仿真结果，量子阱导带中有四个分立的能级，基态到激发态的能级差与对应的红外波段分别为：E01=0.43eV（2.88μm）；E02=0.79eV（1.57μm）；E03=0.88eV（1.41μm）；本文设计的NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极在近红外光波段目标探测范围为1.4μm~1.7μm，故该光电探测器理论上在1.4μm-1.6μm 范围内应存在响应峰值。

图5：p-GaN 量子阱导带中子能级与波函数仿真图

同时使用Silvaco TCAD 软件对器件的结构参数与性能进行仿真验证，仿真涉及的材料特性如能带结构参数（电子亲和势、禁带宽度、介电常数、导带与价带密度）、迁移率参数（电子与空穴迁移率、饱和速度）、复合参数（电子与空穴俄歇系数、光学复合速率、SRH 复合的电子与空穴寿命）、载流子统计参数（施主、受主能级）、光学参数（折射率n、消光系数k）等数据来自于GaN 基半导体材料研究的相关文献、书籍等[1,7-16]；同时根据设计的器件结构特性和材料的光学、电学参数以及实际生长、制备工艺等条件，使用Silvaco TCAD 软件选择的物理仿真模型主要包括：

（1）传输方程模型：Non-local Quantum Barrier Tunneling Model 等；

（2）载流子统计模型：Fermi-Dirac Statistics Model；

（3）浓度依赖迁移率模型：conmob；

（4）复合模型：Shockley-Read-Hall 复合模型(consrh)、俄歇复合模型(auger)、光学复合模型(optr)等；

（5）载流子生成模型：带-带隧穿模型(Klaassen 模型)等；

（6）量子阱模型：QWELL、QWNUM 等；

（7）k.p Band Parameter Models 模 型、Lorentzian line broadening model、Strain and Polarization model 等，以期符合器件的实际情况。

本文设计的量子级联光电阴极是周期性的，采用反射式，初始仿真参数如表1所示，以10 周期QCDs 为基准，紫外波段（0.2~0.4μm）从器件上方垂直照射，红外波段（1.4~1.7μm）从器件右侧上方呈130°照射。

表1：量子级联光电阴极初始参数

通常用光谱响应来表征NEA 光电阴极的探测性能，指的是阴极所产生的光电流与接收光照功率的比值，表达式为：

式（5）中为入射光的波长，为光照下产生的光电流，

为入射光辐射功率，单位为W，光谱响应是光波长的函数，单位为mA/W，其数值由阴极本身的特性决定，与入射光源无关。常用光谱响应曲线表示，即随入射光谱的分布。本文利用光谱响应 对比四种结构参数下光电阴极的探测性能，从而获得优化后的光电阴极结构。

2.1 不同QCDs层周期数对光电阴极的影响

依次仿真一、五、十、十五、二十、三十周期QCDs 层，得到光谱响应如图6所示。由图中可以看出不同QCDs 层周期数在紫外波段光谱响应好且曲线趋势一致，数值无明显差异，峰值波长在300nm；但随着QCDs 层周期数的增加，红外波段光谱响应数值先增加后减少，十周期数值最优，但整体上本文光电阴极对红外波段的响应是较弱的。

图6：不同QCDs 层周期数光谱响应图

这是因为AlxGa(1-x)N 是极好的紫外光敏材料，所以在紫外波段有较好的光谱响应。同时本文光电阴极紫外波段仿真是垂直照射，且紫外光在GaN 基材料中的穿透深度随着材料吸收系数的变化而变化，约为70nm ～160nm[8]，绝大部分作用在上帽层，所以QCDs 层周期数的改变基本不会对紫外波段的吸收产生明显影响。

红外波段的光谱响应较紫外弱，是因为对红外光的探测主要是通过p-GaN 量子阱导带中电子的子带间跃迁来实现光的吸收，而GaN 材料禁带宽度大对红外光响应弱且对于子带间跃迁来说，只有进行掺杂才能提供较多的电子-空穴对。而QCDs 层为十周期时光谱响应较好，是因为随着周期数的增加，光电阴极整体厚度增加，光照射面积变大，有源区产生的光电子数随之增加，最终逸出的电子数也会增加，所以对于一、五、十周期，随着周期数的增加光谱响应随之提高。但随着周期数一直增加，光电子发射需要隧穿和输运的距离就越远，同时本文光电阴极并未外加电压，依靠量子级联结构和内建电场向表面输运过程中被复合、损耗能量的光电子数也就越多，导致最终发射的电子数降低，所以对于十、十五、二十、三十周期，红外波段整体光谱响应度又有下降。结合材料在红外波段的吸收系数小，光子在p-GaN量子阱层才有可能被吸收，当周期数较少的时候，可能会出现红外光穿透量子级联有源区而无法有效利用的情况，综合考虑QCDs 层的最佳范围是10 ～20 周期。

2.2 p-GaN量子阱层厚度对光电阴极的影响

依次仿真p-GaN 量子阱层厚度2nm、4nm 和6nm，得到不同p-GaN 量子阱层厚度对光电阴极光谱响应曲线如图7所示。由图中可以看出本文光电阴极在紫外波段响应较好，随着势阱层厚度的增加，光谱响应数值基本重合，相差不大。因为紫外波段的探测主要是依靠上帽层价带电子吸收光子，所以量子阱层的厚度变化对紫外波段的探测影响不大。

图7：p-GaN 量子阱层不同厚度光谱响应图

但红外波段的光谱响应随着势阱层厚度的增加而减少，在1.45μm 处有峰值。对红外波段的探测是通过p-GaN 势阱内形成的特定子能级之间或者子能级到连续态之间的跃迁再经过级联区进行输运实现的。量子阱厚度的增加不仅会导致导带中子能级的变化，还会影响激发态电子共振隧穿通过势垒的概率，从而最终影响阴极发射电子的数目，导致光谱响应值降低，所以本文光电阴极p-GaN 量子阱层厚度最终设计为2 nm。

2.3 i-AlxGa(1-x)N传输层不同Al组分对光电阴极的影响

由于量子级联区域各层结构很薄，材料实际生长过程中可能会出现因Al 组分变化过大而导致的晶格失配问题，从而最终影响器件整体的探测性能，所以依次仿真Al 组分为0.25、0.4 的i-AlxGa(1-x)N 传输层，得到其光谱响应如图8所示。从图中可以看出本文光电阴极在紫外波段的光谱响应几乎不受Al 组分变化的影响，而在红外波段下光谱响应是随着Al组分的增加而增大。

图8：传输层不同Al 组分光谱响应图

这是因为在纳米材料厚度不变和忽略介电常数的影响下，AlxGa(1-x)N 材料的极化电场强度是随着Al 组分的增加而变大。当红外光照射时，传输层i-AlxGa(1-x)N 输运光电子的速度就会加快，也会减少在输运过程中的复合、能量损耗等，最终逸出的电子数就会变多。同时考虑到量子级联结构的设计，传输层Al 组分不可能与势垒层Al0.5Ga0.5N 中的Al组分相同或更大，那么将无法实现零偏压下对红外波段的探测。因此对于本文光电阴极来说，传输层Al 组分的最佳值是0.4，既可以减少电子输运过程中的损耗又可避免在材料实际生长过程中因Al 组分变化过大而导致的晶格失配。

2.4 红外波段不同光照角度对光电阴极的影响

直接带隙材料形成的量子阱具有一维限制结构（电子在材料生长方向受限），子带间跃迁要求电磁波的电场有与量子阱的生长方向垂直的分量。当入射光垂直于器件表面与量子阱生长方向一致时，吸收为零，无法探测。为解决上述存在的问题，通常对照射量子阱的光源采用布儒斯特角、对结构侧面磨45°角或是对结构表面进行光栅设计等。本文仿真了红外波段不同光照角度对阴极性能的影响，得到其光谱响应曲线如图9所示。从图中可以得出本文光电阴极最佳光照角度范围为120°~130°，响应峰值波长在1.4μm~1.6μm 之间，响应度约为3.92~3.96mA/W。

图9：红外波段不同光照角度光谱响应图

2.5 器件结构优化后的仿真结果

光电阴极优化结构参数后的光谱响应仿真结果如图10所示，器件在紫外波段光谱响应峰值波长300nm，响应度为52.97mA/W；红外波段有响应且响应峰值波长在1.45μm 处，与Nextnano 软件仿真分析器件在近红外波段1.4μm-1.6μm范围内应存在响应峰值的结论相吻合，响应度为3.92mA/W。AlxGa(1-x)N 因其本身优越的特性是极好的紫外光敏材料，所以本文光电阴极对结构参数的设计优化目标更侧重于提高器件在红外波段的探测性能。

图10：光电阴极优化结构紫外-红外波段光谱响应图

3 结论

本文设计了一种NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极，结合器件实际生长、制备等条件，确定了光电阴极的优化结构：QCDs 层采用10~20 周期，p-GaN 量子阱层厚度为2nm，i-AlxGa(1-x)N 传输层Al 组分为0.4，红外波段最佳光照角度为120°~130°之间。优化后的光电阴极在目标探测范围内紫外波段响应峰值波长300nm，响应度约为52.97mA/W；红外波段响应峰值波长在1.4μm~1.6μm 之间，响应度约为3.92mA/W~3.96mA/W。同时仿真对比了紫外与红外波段下反射式、透射式GaN 基光电阴极光谱响应的探测效果并最终采用反射式光电阴极。

本文基于GaN 基材料的自身性质、量子级联结构的特性与光电阴极不同的工作模式等，结合器件实际生长与制备条件等现实因素进行了大量的仿真工作，为后续NEA GaN基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极的实际生长结构与器件制备结构提供了理论指导。