量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的性能優(yōu)化

劉紅梅，董麗娟，石云龍

（1.山西大同大學(xué)固體物理研究所，山西大同037009）(2.山西省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山西大同大學(xué)），山西大同037009）

量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的性能優(yōu)化

劉紅梅1,2，董麗娟1,2，石云龍1,2

（1.山西大同大學(xué)固體物理研究所，山西大同037009）(2.山西省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（山西大同大學(xué)），山西大同037009）

量子點(diǎn)紅外探測(cè)器是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型低維納米結(jié)構(gòu)探測(cè)器，因其優(yōu)越的特性引起了人們的廣泛關(guān)注。本文給出了一種估算量子點(diǎn)紅外探測(cè)器光電流的方法，并以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了探測(cè)器結(jié)構(gòu)對(duì)光電流性能的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)層內(nèi)量子點(diǎn)密度和量子點(diǎn)橫向尺寸的取值都比較小時(shí)，探測(cè)器能獲得一個(gè)高的光電流。

量子點(diǎn)紅外探測(cè)器；光電流；性能優(yōu)化

隨著探測(cè)器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)探測(cè)器性能的要求越來(lái)越高。光電流作為量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的一種重要性能，其取值大小代表著量子點(diǎn)紅外探測(cè)器對(duì)紅外光的轉(zhuǎn)變能力的大小，引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。2010年，A.Rogalski等人通過(guò)考慮電子的熱激發(fā)和場(chǎng)輔助隧穿激發(fā)建立了量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的模型，實(shí)現(xiàn)了光電流的計(jì)算[4]。2012年通過(guò)考慮納米尺度電子傳輸和微米尺度電子傳輸?shù)挠绊懜铝斯怆娏鞯挠?jì)算方法[5]。在此基礎(chǔ)上，2014年光電流的計(jì)算被進(jìn)一步細(xì)化，考慮了外加偏置電壓對(duì)電子遷移率的影響[6]?；谏厦娴倪@些工作，本文主要對(duì)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器光電流的估算方法進(jìn)行了研究，通過(guò)進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)探測(cè)器性能的影響，給出了量子點(diǎn)紅外探測(cè)器光電流性能的優(yōu)化方法。

1 算法

眾所周知，當(dāng)紅外光入射到量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的光敏區(qū)時(shí)，處于基態(tài)的電子躍遷到激發(fā)態(tài)，這些處于激發(fā)態(tài)的電子在探測(cè)器外加偏置電壓的作用下發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，形成探測(cè)器的光電流，因而量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的光電流為

其中，e是電子電荷，Φs是入射到探測(cè)器上的光通量，η是量子效率，gp光電導(dǎo)增益，它等于電子的壽命與電子的渡越時(shí)間的比值[4]，即

其中，K是量子紅外探測(cè)器中量子點(diǎn)復(fù)合層的層數(shù)，Pk是俘獲概率,滿足[7]:

其中，P0k為不帶電量子點(diǎn)對(duì)電子的俘獲概率，取值為1；aQD是量子點(diǎn)的橫向尺寸；NQD是量子點(diǎn)內(nèi)所含的最大電子數(shù)的平均值；εr是構(gòu)成量子點(diǎn)材料的相對(duì)介電常數(shù)；N是量子點(diǎn)內(nèi)平均電子數(shù)。在量子紅外探測(cè)器中，確定量子點(diǎn)內(nèi)平均電子數(shù)是一個(gè)極其復(fù)雜的問(wèn)題，可根據(jù)暗條件下的電流平衡關(guān)系來(lái)得到，這在文獻(xiàn)[6]中有具體的討論。

將(3)式帶入(2)式，能得到：

在量子點(diǎn)紅外探測(cè)器中，量子效率η依賴于量子點(diǎn)內(nèi)平均電子數(shù)，能寫為[4-6]:

其中，δ是電子俘獲截面系數(shù)，∑QD是層內(nèi)量子點(diǎn)密度。

將(4)式和(5)式帶入(2)式，得：

其中，δ為電子俘獲截面系數(shù)，Φs為入射的光通量值，其取值為8×1017photons∕cm2s。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)前面給出的方法，本小節(jié)給出了量子點(diǎn)紅外探測(cè)器光電流的計(jì)算結(jié)果，并驗(yàn)證了其計(jì)算的正確性，此外還進(jìn)一步研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)探測(cè)器光電流性能的影響。表1是用于計(jì)算量子點(diǎn)紅外探測(cè)器光電流的相關(guān)參數(shù)的取值[4-5,9]。

表1 量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的參數(shù)

圖1 100K時(shí)探測(cè)器的光電流

圖1是溫度在100K時(shí)，量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的光電流。在這個(gè)圖中，標(biāo)記為紅色三角形的曲線代表根據(jù)上面的方法得到的計(jì)算值，標(biāo)記為黑色方塊的曲線是實(shí)驗(yàn)測(cè)量值[9]。比較這兩條曲線發(fā)現(xiàn)，整體上理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值比較一致，這證實(shí)了本文給出的光電流計(jì)算方法是正確的。然而，我們也能注意到零電場(chǎng)附近的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值存在一定的差異，這可能是由計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮一些參數(shù)如μ對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的依賴性導(dǎo)致的。此外，這些曲線還隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。以理論計(jì)算的結(jié)果為例，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度從2 kV∕cm增加到8 kV∕cm時(shí)，光電流從0.54 A增加到1.29 A。實(shí)驗(yàn)曲線也顯示同樣的增加趨勢(shì)。光電流的這種增加趨勢(shì)能解釋為：當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度加快，形成光電流的電子增多，最終導(dǎo)致光電流變大。

圖2 層內(nèi)量子點(diǎn)密度對(duì)光電流的影響

圖2是量子點(diǎn)層內(nèi)密度對(duì)光電流的影響。在確定的外加偏置電場(chǎng)5 kV∕cm下，層內(nèi)量子點(diǎn)密度為2×1010cm2時(shí)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器的光電流為6.44×104A，當(dāng)層內(nèi)量子點(diǎn)密度增加10×1010cm2時(shí)，光電流則降低到0.391 A。同樣，當(dāng)層內(nèi)量子點(diǎn)密度從2×1010cm2增加到10×1010cm2，在8 kV∕cm和10 kV∕cm的電場(chǎng)強(qiáng)度下的光電流也分別發(fā)生了從5.39× 105A到0.60 A和從2.76×106A到0.80 A的降低。這些光電流的降低趨勢(shì)充分體現(xiàn)了光電流對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)層內(nèi)量子點(diǎn)密度的依賴性。

圖3 量子點(diǎn)橫向尺寸對(duì)光電流的影響

圖3顯示了光電流對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)量子點(diǎn)的橫向尺寸的依賴性。當(dāng)量子點(diǎn)的橫向尺寸從20 nm增加到40 nm時(shí)，對(duì)應(yīng)著5 kV∕cm、8 kV∕cm、10 kV∕cm電場(chǎng)下的光電流分別發(fā)生了從0.77 A到0.11 A、從1.29 A到0.15 A、從1.85 A到0.19 A的降低。這種光電流隨量子點(diǎn)橫向尺寸的增加而降低的趨勢(shì)和前面給出的量子點(diǎn)層內(nèi)密度對(duì)光電流的影響一起為探測(cè)器的性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)和參考方法。在外加偏置電壓確定的情況下，量子層內(nèi)密度越小，量子點(diǎn)橫向尺寸越小，探測(cè)器的光電流也就越大，探測(cè)器的性能也越好。

3 結(jié)論

本文給出了一個(gè)量子點(diǎn)紅外探測(cè)器光電流的計(jì)算方法，通過(guò)考慮光電流增益和量子效率對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的依賴性，實(shí)現(xiàn)了光電流的估算和表征，并進(jìn)一步研究了探測(cè)器結(jié)構(gòu)參數(shù)（層內(nèi)量子點(diǎn)密度和量子點(diǎn)橫向尺寸）對(duì)探測(cè)器光電流的影響。結(jié)果顯示，在確定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，只有當(dāng)層內(nèi)量子點(diǎn)密度和量子點(diǎn)橫向尺寸的取值比較小時(shí)，探測(cè)器才有好的性能，獲得一個(gè)高的光電流。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目[61307121];山西大同大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目[2012-B-04]

劉紅梅(1980-)，女，山西山陰人，博士，講師，研究方向:主要從事光電探測(cè)器方面的研究。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕