基于Ⅱ类超晶格的中波红外带间级联探测器(特邀)

为了提高红外探测器的工作温度,基于InAs/GaSb II类超晶格材料设计了一种五级带间级联结构中波红外光电探测器,并采用分子束外延技术和标准化光刻及刻蚀技术进行了器件的制备。在77 K时,该器件的50%截止波长是4.02μm,在0 V时峰值探测率为1.26×10^(12) cm·Hz^(1/2)/W;在300 K零偏压下,该器件的50%截止波长是4.88μm,峰值探测率为1.28×10^(9) cm·Hz^(1/2)/W,实现了高温探测。从180 K到300 K,器件的暗电流主要由扩散电流主导。在77 K到220 K温度范围的暗电流曲线中观察到了负微分电阻现象,并解释了峰谷电流比相对于温度变化的趋势。研究结果表明,具有带间级联结构的T2SL探测器可以进行室温工作,在中波范围内有比较明显的优势。

长波带间级联探测器结构设计

针对带间级联结构在长波探测上的设计应用,采用包络函数近似下的二带模型和传输矩阵方法,考虑电子和轻空穴耦合,计算了带间级联结构多量子阱弛豫区的E-k关系和详细能带信息.特别优化了弛豫区结构,在保证光生载流子在弛豫区中隧穿几率的前提下首次利用周期性量子阱结构拓展弛豫区厚度,降低吸收区中电场强度,抑制产生复合电流和隧穿电流,提高器件电学性能.制备的该两级结构长波带间级联探测器10. 5μm处量子效率达到了20%,证实了弛豫区与隧穿区具有良好的光生载流子输运.器件在80 K下50%截止波长为11. 5μm,是目前所见报道中带间级联结构在80 K工作温度下所获得最长波长的红外探测器.

带间级联红外探测器的光电流输运与量子效率研究

带间级联红外探测器可以利用多级吸收区级联的方式实现高的工作温度,但不同的吸收区厚度设计方式会使得器件在不同级数吸收区中出现光生载流子的不匹配现象,从而对器件量子效率造成影响。为更好地理解带间级联探测器的级数和吸收区厚度对量子效率的影响,对基于InAs/GaSb II类超晶格的带间级联探测器进行了变温测试,并基于多级光电流的“平均效应”建立了工作在反向偏置电压的量子效率计算模型,通过与实际测试的量子效率对比,发现在低温条件下实验数据和计算结果拟合一致性较好,验证了多级带间级联探测器中基于内增益机制的光电流平均效应。但在高温条件下,实际的光电流低于“平均效应”的理论计算结果,这可能是由于高温下少数载流子寿命变短,在吸收区和弛豫区界面处存在光生载流子的复合机制。

面向高工作温度应用的带间级联红外光电器件

高温工作探测器是第三代红外焦平面发展的重要方向之一。带间级联探测器结合了势垒结构与多级吸收区结构的特点,通过多量子阱弛豫和隧穿实现光生载流子单方向输运,可以有效降低来自PN结耗尽区的产生-复合暗电流;利用多级短吸收区结构,在扩散长度很短的情况下仍然可以有效地收集光生载流子,从而可以提高探测器在高工作温度下的探测性能。本文主要介绍了作者在带间级联红外光电器件方面的研究进展,包括高工作温度带间级联探测器、高带宽带间级联探测器以及带间级联发光器件等。