基于量子结构的暗电流特性研究

基于量子结构的暗电流特性研究

1.暗电流特性的计算负范红色探测器是继镉铬红色探测器之后的另一个重要的红外探测器。它对中长波段和长波段的探测，尤其是长波段（8-14m）和长波段（14m）的工作段进行了研究。评价体系的同一性，尤其是暗电流特性，是评价体系中甲壳干燥反射特性的一个极为重要的参数，对设备的噪声和水温有显著影响。人们对不同结构的公务员红外探测器及其相关设备材料的物理特性实验研究和理论研究以及对仪器系统的优化研究都没有完成。然而，适合计算量周值红外展开子探测的模型，尤其是大型复杂波前波后，人们对其进行了实验研究。然而，该模型中的暗电流在很大方面仍然是不完整的。ws等人报告了8-10m附近多带栽培池探测器的暗电流。理论上，对暗电流的研究主要是为了克服变量池的热发射和热支撑，并忽视了对电极层的酸流的注入。模型的计算值与实验值之间存在很大差距。李等人后来在8.5m至70nm公务员的指导报告中建立了适合黑暗条件下60k以上动态频率范围的多带源红外探测器的新模型。该模型的自干在八个子带内的20个周期内为m，四个周期内的多个子带外反射器为称取评价，模型的计算值与实验值之间仍然存在很大差距。它是随着子带周期的变化而设计的。对。thiba以外的人员在40个周期内提出了一个新模型，在黑暗条件下提供了一个红色对照模型。该模型的自干在探测过程中考虑了基本的测量机制，并且从电极层中注入了能量损失，并在每个范围内捕获和发射。计算的暗电流值与实验相比可以达到良好的一致性。ryzri等人使用自干算法理论上研究了ias-gaas多带红外探测器。结果表明，最靠近发射极形成的近盾是限制该设备黑暗流动的一个重要因素。本文从实验和理论两个方面研究响应峰值波长在15μm附近,周期大于40的甚长波量子阱红外探测器的暗电流特性.理论上先采用量子波输运理论对实际器件的输运性质进行研究,着重考察电子从发射极到第一个量子阱的输运概率以及相应电子态的占据.接着通过薛定谔方程和泊松方程以及电流连续性方程的自洽求解研究整个甚长波量子阱器件的能带结构及相应的电子分布情况,进而得出甚长波器件的暗电流特性,并跟实验结果及平带模型的理论计算结果进行比较.2.器件的暗电流模型图1给出甚长波多量子阱器件的导带能带结构及其暗电流机理示意图.当每个量子阱中的基态电子处于平衡态时,它们通过(a)直接的势垒隧穿(电子从一个量子阱的局域态穿越势垒到达另一个量子阱);(b)热发射(势阱中电子受热激发到达连续态);(c)热辅助隧穿而传输到其他区间(如相邻的量子阱区或势垒之上的连续态).这三个效应即形成了多量子阱器件的暗电流.其中(b)和(c)本质上都跟热激发密切相关,故有文献将其归并为热激发.甚长波量子阱器件的电流表达成Ιi=JiAD=eviniAD,(1)Ii=JiAD=eviniAD,(1)这里Ji为电流密度,AD为量子阱器件的横截面积,e为电子电荷,vi是载流子的平均漂移速度,定义为vi=μFi+1[1+(μFi+1vs)2]-1/2‚(2)式中vs为载流子的饱和漂移速度,取值在0.1×106和5.0×106cm/s之间,μ为弱场下载流子的迁移率,对n型的GaAs/AlGaAs的量子阱红外探测器而言,其值为2000cm2/(V·s),Fi+1为势垒(i+1)的电场强度.ni为势阱i对应的可动载流子,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是器件的一个周期长度(阱宽Lw+垒宽Lb),k为xy平面内的波矢,n为量子阱区的子能级的标号(包括局域态的能级以及连续态的能级),t(En,Ek,Fi+1)为依赖于势垒电场强度的透射系数,f(En,Ek,Efi)为费米-狄拉克分布,其中Efi为势阱i的准费米能级.发射极和集电极的可动载流子浓度则由下式确定:n0=∫dk2π∫2dk(2π)2t(Ek,Ek)f(Ek,Ek,Efe),(4)其中f(Ek,Ek,Efe)对应的是三维体材料的费米积分,k为z方向上的波矢.甚长波器件的泊松方程为d2ψ(z)dz2=-eε(z)[Νd(z)-n(z)]‚(5)这里ψ(z)为静电势,ε(z)为器件材料的介电函数,Nd(z)为施主浓度,n(z)为器件体系的电子浓度分布.如图2的甚长波多量子阱器件的漂移-扩散模型示意图所示,考虑量子阱i对可动载流子的俘获以及电流连续性和载流子的守恒条件这里Si+2为量子阱(i+2)的二维载流子浓度,βi为量子阱i的载流子俘获概率.在稳态时dSi+2/dt=0,由此得Ii+2=Ii,即为器件的暗电流.3.波量子私权器件的结构实验用的甚长波量子阱器件材料是在MBE系统上生长的,结构为50周期的GaAs(6.0nm)/AlGaAs(60nm)的多量子阱结构,其中势阱的Si掺杂浓度n+=2.0×1017cm-3,势垒中Al的摩尔组分的标称值为0.15,根据器件材料的光荧光光谱计算值为0.147;上电极层的厚度为1.25μm,下电极层的厚度为1.75μm,Si掺杂浓度n+=1.0×1018cm-3,将材料光刻制作成240μm×240μm的线列台面,同时光刻和蒸镀直径150μm的圆形上电极和边长为300μm的方形下电极,经过合金化和In球熔焊等工艺,制备出256×1元线列探测器并安装到液氦制冷机中.用Keithly源表测量30K—60K温度下的暗电流实验曲线如图3所示.由于整个器件体系在xy平面内的平移对称性,势阱i的波函数可由下列薛定谔方程和泊松方程决定:ϕn(k)=ϕn(z)u(r)eik⋅ρ‚[-ℏ22m*⋅∂2∂z2+V(z)]ϕn(z)=Enϕn(z),(7)这里k=(kx,ky)和ρ分别是xy平面内的波矢和坐标,u(r)是布洛赫函数.通过求解上述薛定谔方程我们确定量子阱中只存在一个束缚态,在40K的器件工作温度下为55.5meV(取GaAs导带边为零势能面).可见所设计的甚长波量子阱器件结构属于束缚态—连续态(B-T-C)跃迁类型,而区别于以前设计的束缚态—束缚态(B-T-B)类型.这种结构的主要优点是在外加偏压下光生载流子直接从基态跃迁到连续态而最大限度的减少激发态电子的势垒隧穿,从而减小器件的暗电流;同时通过增大势垒(达60nm)来进一步抑制基态电子的隧穿.从实验结果看,制备的甚长波器件在40K温度下暗电流达到10-8A,比同波段B-T-B类型的量子阱器件的暗电流低3个数量级.为深入理解甚长波量子阱器件的电流电压特性和实验结果,先采用量子波输运理论对实际器件的输运性质进行研究.由于电子从发射极到第一个量子阱的输运以及从量子阱i到下一个势阱(i+2)(中间为势垒(i+1))的输运均为量子波输运,设发射电子波的量子阱(或者发射极)i的波函数为eiqi,j+2z+ri,i+2e-iqi,i+2z,而收集输运波的势阱(i+2)的波函数为ti,i+2eiqi,i+2z,相应的电流密度可由下式计算:Ji,i+2=e∫2dk(2π)2(ti,i+2ℏqi,i+2m*fi-ti+2,iℏqi+2,im*fi+2),(8)这里ti,i+2是电子从量子阱i到量子阱i+2的输运波的透射系数,fi为量子阱i的费米分布函数,由量子阱i的费米能级Efi决定.依据上述理论,先计算零偏时40K温度下从器件发射极到第一个量子阱的输运概率(计算结果如图4所示).我们看到当入射电子能量高于势垒时传输概率将接近于1,但是相应的这些态的电子占据却很低;而甚长波器件的势垒很厚,发射极费米能级附近的电子很难透射到第一个量子阱.可见,在甚长波量子阱红外探测器中,电流密度一般很低,暗电流主要来源于能量高于势垒边的热激发电子.甚长波量子阱器件的上下电极层的掺杂浓度均为1.0×1018cm-3,在40K工作温度下电极层的费米能级为54.4meV(相对于GaAs导带边).根据前面求出的40K温度下量子阱的基态子能级,由下式可求出量子阱i中的准费米能级Ef,i:Si=m*kBΤπℏ2ln[1+exp(Ef,i-EikBΤ)].(9)将泊松方程和薛定谔方程联合来进行自洽求解,得到整个甚长波量子阱器件的能带结构(如图5所示)及相应的载流子浓度分布(如图6所示).可以看到电场在整个器件体系上分布不均匀,靠近发射极区的电场分布强,占所加偏压的相当部分.在小偏压下靠近发射极的势垒倾斜得尤为厉害,而远离电极层的势垒上的电场强度比较小,且比较均匀.随着偏压的加大,电场才加到远离电极层的势垒上,如图5中6V偏压的情形.如前所述,在稳态时,量子阱区连续态上的漂移电流最初由发射极注入,而发射极电流的注入受发射极区势垒电场的控制.为了保证电流守恒,电场在器件体系上重新分布.电子在各量子阱的分布的变化,导致电场强度在整个器件结构上的非均匀分布.靠近发射极层的势垒承载较强的电场,对应的量子阱的电子几乎耗尽,这种情形在小的偏压下尤为显著,如图5中0.1V偏压的情形,靠近发射极的第1个势垒承担的电压达到0.13V;0.5V偏压下第1个势垒承担的电压达0.28V.Liu等人曾在实验中观察到这种外加偏压下电子浓度在各量子阱重新分布的效应.作为比较,图7同时给出器件在平带模型(假定电子浓度在各量子阱均匀分布,电压在整个器件体系上按均匀分布)下理论计算的暗电流.从图7可见平带模型下的甚长波器件的理论计算值比实验值偏低,在小偏压下偏离更远.由于发射极电流的注入受发射极区势垒电场的控制,在平带模型下对于50个周期的甚长波器件,电压均匀分布在每个势垒边上,离发射极区势垒承担的电压占所加电压的1/51,大大低于自洽计算值,此时发射极注入的电子也会低于实际情况.随着偏压的增大,加在发射极区势垒上的电压占所加偏压的比例有所减小,平带模型的理论计算值跟实验值的差距也随之减小.可见通过薛定谔方程和泊松方程以及电流的连续性方程的自洽求解,可以更好地解释甚长波量子阱红外探测器的暗电流特性.4.自浚模型的实验采用量子波输运理论研究了甚长波器件的载流子的输运性质.计算的结果表明,在甚长波量子阱红外探测器中,电流密度