氮化物子帶躍遷探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)對(duì)器件效率的影響*

康健彬 李倩 李沫

1) (中國(guó)工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心,成都 610200)

2) (中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所,綿陽(yáng) 621999)

氮化物子帶躍遷探測(cè)器具備在近紅外通訊波段高速工作和在太赫茲波段室溫工作的潛力,但材料強(qiáng)的極化作用容易造成器件效率降低.本文分別針對(duì)工作于上述波段的典型器件,理論分析了材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度分布、極化效應(yīng)以及光生載流子隧穿的影響.近紅外波段器件以光伏型器件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),研究發(fā)現(xiàn)增加量子勢(shì)阱的周期數(shù)、增大勢(shì)阱摻雜濃度、以及保持接觸層材料晶格常數(shù)與超晶格有源區(qū)平均晶格常數(shù)相同,有助于增加基態(tài)能級(jí)上被載流子填充的量子勢(shì)阱數(shù),從而增強(qiáng)器件的吸收效率.太赫茲波段器件以雙臺(tái)階器件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),研究表明器件設(shè)計(jì)時(shí)即使任意調(diào)節(jié)勢(shì)阱層和勢(shì)壘層厚度,也不會(huì)改變影響光生載流子傳輸?shù)膭?shì)壘層極化電場(chǎng)分布.同時(shí),降低臺(tái)階勢(shì)壘層鋁組分和適當(dāng)增加其厚度可以提高光生載流子隧穿通過(guò)臺(tái)階勢(shì)壘層的效率.本文仿真結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化的氮化物子帶躍遷探測(cè)器材料結(jié)構(gòu)、提升器件性能具有指導(dǎo)意義.

1 引 言

基于氮化物體材料帶間躍遷工作的短波長(zhǎng)光電探測(cè)器憑借其全固態(tài)、紫外波段量子效率高[1]的特點(diǎn)在軍用及民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.隨著外延技術(shù)的進(jìn)步,薄層GaN/Al(Ga)N異質(zhì)結(jié)材料結(jié)構(gòu)的成功制備使得利用氮化物子帶躍遷原理探測(cè)更長(zhǎng)波段光信號(hào)成為可能[2,3],尤其在實(shí)現(xiàn)高速近紅外光通訊波段探測(cè)[4-6]和全固態(tài)的室溫太赫茲波段探測(cè)[7,8]方面受到較多關(guān)注.與相對(duì)成熟的短波長(zhǎng)探測(cè)器相比,實(shí)現(xiàn)高性能的氮化物子帶躍遷探測(cè)器仍面臨著兩方面的難題: 其一是大晶格失配體系下異質(zhì)結(jié)外延材料缺陷密度大,而該問(wèn)題的解決將主要依賴于相對(duì)長(zhǎng)期的材料生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展;其二是異質(zhì)結(jié)材料極化效應(yīng)在器件內(nèi)部形成強(qiáng)的極化電場(chǎng),嚴(yán)重影響器件光吸收效率和光生載流子輸運(yùn)效率,給器件設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)[9].由于躍遷波長(zhǎng)的差異,近紅外波段器件和太赫茲波段波器件在設(shè)計(jì)中要關(guān)注的效率問(wèn)題并不完全相同.

利用氮化物材料制作光通訊波段探測(cè)器主要得益于GaN/AlN異質(zhì)結(jié)足夠大的導(dǎo)帶帶階(～1.75 eV)[10]和極快的電子弛豫速度 (～150 fs)[11].為了獲得與近紅外光子能量相近的子帶躍遷能級(jí),該類(lèi)型器件通常采用短周期超晶格結(jié)構(gòu)作為吸收區(qū)域[4],其吸收效率直接正比于基態(tài)能級(jí)上被電子填充的量子阱數(shù)[12].整個(gè)有源區(qū)量子阱中載流子的濃度分布受器件內(nèi)建電場(chǎng)影響,不僅與其摻雜濃度有關(guān),還與由極化效應(yīng)引發(fā)的極化電場(chǎng)相關(guān)[13].從器件結(jié)構(gòu)來(lái)看,影響內(nèi)建電場(chǎng)的因素包括周期數(shù)、材料組分、摻雜濃度等,目前較為全面地分析上述材料參數(shù)對(duì)器件能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度影響的文獻(xiàn)報(bào)道仍然較少.

在太赫茲波探測(cè)方面,氮化物材料憑借其大的縱向光學(xué)聲子能量(GaN材料約92 meV)[14],比傳統(tǒng)的砷化物材料更有潛力實(shí)現(xiàn)室溫工作,而且能工作在砷化物器件受材料反射特性限制而不能響應(yīng)的5—12 THz波段范圍[15].由于太赫茲波段光子能量小,特別是在考慮材料極化效應(yīng)后器件的能級(jí)結(jié)構(gòu)需要更為精細(xì)的設(shè)計(jì),其主要難點(diǎn)是在保證高效吸收的基礎(chǔ)上,還能實(shí)現(xiàn)光生載流子有效輸運(yùn)[16].為了解決吸收和輸運(yùn)的問(wèn)題,Sudradjat等[17]提出了利用雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)來(lái)消除勢(shì)阱層和勢(shì)壘層的極化電場(chǎng),其特點(diǎn)是在勢(shì)阱層和勢(shì)壘層中分別插入一層組分、厚度特殊設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)層,這也是目前極有潛力實(shí)現(xiàn)室溫工作的器件方案之一.但該結(jié)構(gòu)相比于單一的勢(shì)阱層和勢(shì)壘層結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,針對(duì)其材料結(jié)構(gòu)參數(shù)影響有源區(qū)電場(chǎng)分布和載流子輸運(yùn)的分析尚未見(jiàn)報(bào)道.

本文針對(duì)工作于近紅外波段的GaN/AlN子帶躍遷探測(cè)器,從完整的器件模擬出發(fā),理論分析了周期數(shù)、摻雜濃度、材料組分對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度分布的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明增加吸收區(qū)量子阱的周期數(shù)和量子阱摻雜濃度,以及選擇合適的接觸層材料組分可以使得更多的量子阱被電子填充.對(duì)于太赫茲波段的子帶躍遷探測(cè)器,本文以雙臺(tái)階器件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),分析了有源區(qū)主要材料參數(shù)對(duì)極化電場(chǎng)分布及光生載流子隧穿特性的影響.我們發(fā)現(xiàn)有源區(qū)極化電場(chǎng)分布受勢(shì)壘層組分、臺(tái)階勢(shì)壘層和臺(tái)階勢(shì)阱層厚度變化敏感,而基本不受勢(shì)阱層和勢(shì)壘層厚度的影響.同時(shí),降低臺(tái)階勢(shì)壘層鋁(Al)組分和適當(dāng)增加其厚度有利于提高光生載流子的隧穿效率.

2 理論基礎(chǔ)

本文對(duì)GaN/Al(Ga)N異質(zhì)結(jié)材料的能帶結(jié)構(gòu)和波函數(shù)分布仿真是通過(guò)自洽求解薛定諤-泊松方程獲得[18],具體表式如下:

其中z代表沿生長(zhǎng)方向的空間坐標(biāo)位置,E是本征能量,m代表電子有效質(zhì)量,ψ(z)表示波函數(shù),V(z)表示由材料勢(shì)能和外加電場(chǎng)所形成的電勢(shì)分布,Φ(z)是材料的靜電勢(shì)能,ε (z) 表示的是與位置相關(guān)的介電常數(shù).泊松方程中的總電荷濃度是由摻雜雜質(zhì)離化后的濃度電子濃度n(z) 和極化誘導(dǎo)的電子濃度ρpolarization所組成,可分別用如下公式表示[18,19]:

其中ND和ED分別表示摻雜雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)能級(jí),kB是玻爾茲曼常數(shù),T 是絕對(duì)溫度,EF代表費(fèi)米能級(jí),Ptot代表在自發(fā)極化和壓電極化共同作用下的極化常數(shù).

對(duì)于量子阱能級(jí)間的子帶躍遷過(guò)程,相應(yīng)的吸收系數(shù)可表達(dá)如下[20]:

其中 μ0是真空中的磁導(dǎo)率,ε0是真空的介電常數(shù),L代表量子阱的寬度,τ 表示亞ps量級(jí)的載流子弛豫時(shí)間,ni代表填充在第i個(gè)能級(jí)上的電子濃度,Mih表示的是躍遷矩陣元,可由躍遷能級(jí)波函數(shù)的重疊積分表示.從 (6) 式可以看出,子帶躍遷的吸收系數(shù)與兩個(gè)躍遷能級(jí)的載流子濃度差成正比,意味著只有基態(tài)能級(jí)上被電子填充了的量子勢(shì)阱才能作為有效吸收區(qū)域.

此外,基于雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)的太赫茲子帶躍遷探測(cè)器需要考慮光生載流子的隧穿輸運(yùn)過(guò)程,其隧穿系數(shù)隨載流子能量變化的關(guān)系是由基于彈道輸運(yùn)原理的 contact-block-reduction (CBR)方法[21]求解獲得.該方法以格林函數(shù) (Green’s function)為基礎(chǔ),可以有效分析任意形狀器件以及具有任意端口數(shù)的開(kāi)放量子系統(tǒng)的電子傳輸特性.

3 結(jié)果與討論

3.1 近紅外波段子帶躍遷探測(cè)器

針對(duì)工作于近紅外波段的氮化物子帶躍遷探測(cè)器,為了獲得極化場(chǎng)作用下器件真實(shí)的載流子濃度分布,需要仿真包含有源區(qū)和電極接觸層的完整材料結(jié)構(gòu).該類(lèi)型器件有源區(qū)由周期性GaN/AlN異質(zhì)結(jié)材料構(gòu)成,已有的文獻(xiàn)在建模時(shí)一般采用的吸收量子阱周期數(shù)不超過(guò)20[4,13],而實(shí)際生長(zhǎng)的器件結(jié)構(gòu)為了獲得足夠強(qiáng)的吸收周期數(shù)至少為30—50.因此,我們以典型的光伏型 GaN/AlN子帶躍遷探測(cè)器為基礎(chǔ)[22],首先研究了吸收量子阱周期數(shù)對(duì)器件能帶結(jié)構(gòu)及載流子濃度分布的影響,仿真結(jié)果如圖1所示.圖中從左至右分別表示了量子阱數(shù)為 10,20,50 的情況,下方區(qū)域?yàn)殡娮訚舛确植?上方為導(dǎo)帶結(jié)構(gòu),左下側(cè)的插圖為器件材料結(jié)構(gòu)示意圖.圖1所示的器件結(jié)構(gòu)中,底部接觸層和頂部接觸層均采用未摻雜的AlN材料,吸收量子阱采用厚度為1.5 nm/1.5 nm的重復(fù)性GaN/AlN異質(zhì)結(jié)材料單元,勢(shì)阱中 n 型摻雜濃度 1×1019cm—3.吸收區(qū)量子勢(shì)阱層和勢(shì)壘層厚度均選取為1.5 nm,是為了確保參與躍遷的基態(tài)能級(jí)與激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量差剛好接近于1.55 μm的光通訊波長(zhǎng).這類(lèi)器件光響應(yīng)信號(hào)的輸出主要依賴于吸收光子后引起非對(duì)稱(chēng)量子阱結(jié)構(gòu)中電勢(shì)的變化,從而改變整體外電路的電勢(shì)差[23].

圖1 典型光伏型GaN/AlN子帶躍遷探測(cè)器量子阱周期數(shù)分別為10,20,50情況下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和電子濃度分布,左下側(cè)的插圖為器件材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Conduction band profile and electron distribution for typical photovoltaic nitride intersubband photodetectors,with ten periods,twenty periods and fifty periods of GaN/AlN quantum wells,respectively.The inset shows the schematic image of the sample structure.

器件理想的能帶結(jié)構(gòu)是吸收量子阱處于平帶狀態(tài),且基態(tài)能級(jí)上有足夠的電子填充.從圖1中可以看到,在該特定摻雜水平的情況下,三種吸收量子阱周期數(shù)不同的器件均有部分勢(shì)阱區(qū)域能帶表現(xiàn)為傾斜,傾斜量子阱中的電子由于受到極化電場(chǎng)的影響而被耗盡.不難發(fā)現(xiàn)被耗盡的量子阱數(shù)幾乎沒(méi)有隨著吸收阱周期數(shù)的增加而增加,這也意味著隨著周期數(shù)的增多,更多的量子勢(shì)阱處于平帶狀態(tài),即有更多的勢(shì)阱基態(tài)能級(jí)可被電子有效填充.緊挨頂部接觸層的量子阱出現(xiàn)了極高的載流子濃度分布,主要是在特定異質(zhì)結(jié)界面形成了二維電子氣.假設(shè)施加在有源區(qū)吸收量子阱上的內(nèi)建電場(chǎng)由底部接觸層、頂部接觸層材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及吸收量子阱的摻雜濃度共同決定,在上述參數(shù)不變的情況下,改變周期數(shù)實(shí)際上對(duì)總的電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)有大的影響,這樣就可以解釋被耗盡的量子阱數(shù)為什么不會(huì)隨著周期數(shù)的增加而改變.從另一種角度思考,在周期數(shù)很多的情況下,也可以通過(guò)仿真少于實(shí)際結(jié)構(gòu)的周期數(shù)推斷出特定結(jié)構(gòu)參數(shù)下固定的、將會(huì)被耗盡的量子阱數(shù)目.

以圖1中50個(gè)周期的吸收量子阱器件結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),對(duì)勢(shì)阱中的摻雜濃度進(jìn)行調(diào)節(jié),仿真得到的能帶結(jié)構(gòu)和電子濃度分布如圖2所示.從左至右分別表示勢(shì)阱中的摻雜濃度依次為 5×1018cm—3,2×1019cm—3和 5×1019cm—3.可以看到,隨著勢(shì)阱中摻雜濃度的降低,靠近底部接觸層AlN材料方向有更多的吸收量子阱在整個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下發(fā)生了傾斜,即有更多的勢(shì)阱基態(tài)能級(jí)能量高于費(fèi)米能級(jí)(0 eV),從電子濃度分布看則有更多的勢(shì)阱中的電子被耗盡.觀察處于平帶結(jié)構(gòu)的量子阱中電子濃度的具體數(shù)值,可以發(fā)現(xiàn)仿真獲得的電子濃度略高于摻雜的雜質(zhì)濃度(設(shè)置雜質(zhì)全部電離),這主要是由于產(chǎn)生了額外的極化電荷所致.仿真結(jié)果說(shuō)明勢(shì)阱中的摻雜濃度會(huì)對(duì)有源區(qū)吸收阱中的內(nèi)建電場(chǎng)產(chǎn)生影響,理論上摻雜濃度越高,在極化電場(chǎng)不變的情況下內(nèi)建電場(chǎng)受到的抑制作用越強(qiáng),從而減少了被耗盡的量子阱數(shù).但實(shí)際在器件工作時(shí),還需要綜合考慮摻雜濃度變高對(duì)器件暗電流增加以及引發(fā)的多體效應(yīng)對(duì)能帶重整的影響[24].

此外,在圖1所示的50個(gè)周期吸收阱器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)改變底部接觸層和頂部接觸層Al(Ga)N材料的Al組分,仿真獲得了不同Al組分情況下器件的能帶結(jié)構(gòu)和電子濃度分布,如圖3所示.其中,勢(shì)阱層摻雜濃度設(shè)置為 1×1019cm—3.從圖中可以看出,當(dāng)Al組分從100%降低至50%時(shí)(接觸層從AlN材料變?yōu)锳l0.5Ga0.5N材料),靠近底部接觸層本來(lái)傾斜的量子阱能帶變成了平帶狀態(tài),有源區(qū)極化電場(chǎng)受到抑制.當(dāng)Al組分從50%進(jìn)一步降低至0時(shí)(接觸層從Al0.5Ga0.5N材料變?yōu)镚aN材料),靠近頂部接觸層的部分量子阱能帶反而發(fā)生了傾斜,造成該量子阱區(qū)域內(nèi)電子的耗盡.可見(jiàn)采用GaN材料和AlN材料作為接觸層時(shí)在有源區(qū)內(nèi)將產(chǎn)生方向相反的極化電場(chǎng),導(dǎo)致不同區(qū)域勢(shì)阱中電子的耗盡,而采用Al0.5Ga0.5N材料可以消除極化電場(chǎng)的影響,使更多的量子阱被電子填充.該仿真結(jié)果表明,器件設(shè)計(jì)時(shí)接觸層材料的Al組分應(yīng)選取為與有源區(qū)吸收量子阱區(qū)域的平均Al組分相同,此時(shí)各區(qū)域的(平均)晶格常數(shù)保持一致,能最大程度抑制壓電極化效應(yīng)的影響.

圖2 典型光伏型 GaN/AlN 子帶躍遷探測(cè)器量子勢(shì)阱摻雜濃度分別為 5×1018 cm—3,2×1019 cm—3和 5×1019 cm—3 情況下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和電子濃度分布Fig.2.Conduction band profile and electron distribution for typical photovoltaic nitride intersubband photodetectors doped to 5×1018 cm—3,2×1019 cm—3 and 5×1019 cm—3 in quantum wells,respectively.

圖3 典型光伏型GaN/AlN子帶躍遷探測(cè)器分別采用GaN,Al0.5Ga0.5N和AlN材料作為接觸層情況下的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)和電子濃度分布Fig.3.Conduction band profile and electron distribution for typical photovoltaic nitride intersubband photodetectors,with GaN,Al0.5Ga0.5N and AlN contact layers,respectively.

3.2 太赫茲波段子帶躍遷探測(cè)器

設(shè)計(jì)太赫茲波段的氮化物子帶躍遷探測(cè)器,通常量子勢(shì)阱的厚度需要足夠大(～10 nm)才能確保基態(tài)能級(jí)與激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量差與太赫茲波的能量相近.如果采用單一的量子阱結(jié)構(gòu),強(qiáng)的極化電場(chǎng)作用將導(dǎo)致躍遷能級(jí)均位于三角形勢(shì)阱底部,如圖4(a)所示.該情況下,劇烈傾斜的勢(shì)阱和勢(shì)壘能帶一方面使得兩個(gè)躍遷能級(jí)的波函數(shù)中心在空間位置上不重合導(dǎo)致躍遷效率降低,另一方面使得光生載流子想要逃離出勢(shì)阱被外電路收集變得更困難.雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)子帶躍遷探測(cè)器是在量子勢(shì)阱層和勢(shì)壘層中分別插入一層極化調(diào)控層以調(diào)節(jié)各層材料電場(chǎng)強(qiáng)度的分布,構(gòu)建出近似于“方形”的量子勢(shì)阱,以解決上述效率降低的問(wèn)題.

圖4(b)展示了理想情況下的雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)子帶躍遷探測(cè)器有源區(qū)能帶示意圖和電子波函數(shù)分布,此時(shí)勢(shì)壘層和勢(shì)阱層中的極化電場(chǎng)基本被消除,能帶表現(xiàn)為平帶狀態(tài).該結(jié)構(gòu)一個(gè)基本周期內(nèi)包含了 1.6 nm厚的 GaN臺(tái)階勢(shì)阱層、7 nm厚的Al0.08Ga0.92N勢(shì)阱層、1.5 nm厚的 Al0.16Ga0.84N臺(tái)階勢(shì)壘層和12 nm厚的Al0.08Ga0.92N勢(shì)壘層,基態(tài)能級(jí)與激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量差約為12 THz.器件工作時(shí)載流子主要經(jīng)歷了子帶躍遷、連續(xù)態(tài)上的輸運(yùn)、隧穿通過(guò)或是熱激發(fā)越過(guò)臺(tái)階勢(shì)壘層等幾個(gè)動(dòng)力學(xué)過(guò)程.要保證光生載流子具有高的輸運(yùn)效率,一是希望勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)盡可能小,二是希望載流子能高效隧穿通過(guò)臺(tái)階勢(shì)壘層.因此,分析各層材料參數(shù)對(duì)器件極化電場(chǎng)的影響以及臺(tái)階勢(shì)壘層對(duì)光生載流子隧穿的影響對(duì)于指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)非常重要.

為了獲得準(zhǔn)確的極化電場(chǎng)數(shù)值(即能帶結(jié)構(gòu)分布),在仿真設(shè)計(jì)時(shí)至少需要覆蓋三個(gè)周期的吸收阱結(jié)構(gòu),以避免邊界的人為截?cái)鄬?dǎo)致極化電場(chǎng)不連續(xù).雖然以下仿真中沒(méi)有包含接觸層材料,但后續(xù)實(shí)際生長(zhǎng)器件時(shí)只要確保接觸層材料的晶格常數(shù)與有源區(qū)材料的平均晶格常數(shù)一致即可忽略由接觸層帶來(lái)的極化效應(yīng)的影響.在圖4(b)所示材料結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上,首先分析了勢(shì)壘層電場(chǎng)及勢(shì)阱層電場(chǎng)隨勢(shì)壘層Al組分(xbr)變化的規(guī)律,分別如圖5(a)和圖5(b)所示,正負(fù)值分別代表相反的電場(chǎng)方向.臺(tái)階勢(shì)壘層Al組分(xsbr)始終固定為勢(shì)阱層Al組分(xw)的2倍是因?yàn)樵趩闻_(tái)階結(jié)構(gòu)器件中該組分配比下可以獲得低的躍遷能量和高的躍遷效率[15].

圖4 基于(a)單一量子阱結(jié)構(gòu)和(b)雙臺(tái)階量子阱結(jié)構(gòu)的太赫茲波段氮化物子帶躍遷探測(cè)器能帶結(jié)構(gòu)和電子波函數(shù)分布Fig.4.Conduction band profile and squared envelope functions for terahertz intersubband photodetectors based on (a) a single barrier and a single well structure and (b) a double-step structure.

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,勢(shì)壘層組分將同時(shí)影響勢(shì)壘層自身和勢(shì)阱層的電場(chǎng),且電場(chǎng)強(qiáng)度值均隨勢(shì)壘層組分變化呈線性關(guān)系.當(dāng)臺(tái)階勢(shì)壘層Al組分不高于20%時(shí),勢(shì)壘層Al組分剛好為其1/2的情況下可以使得勢(shì)壘層和勢(shì)阱層中的極化電場(chǎng)基本得到全部消除.而當(dāng)臺(tái)階勢(shì)壘層Al組分較大程度地高于20%時(shí),勢(shì)壘層Al組分在略偏離其1/2的情況下才能使得勢(shì)壘層和勢(shì)阱層的極化電場(chǎng)為零,且偏離量隨臺(tái)階勢(shì)壘中Al組分的增大而增大.出現(xiàn)該現(xiàn)象可能的原因是臺(tái)階勢(shì)壘層Al組分增加到一定程度后,壓電極化效應(yīng)成為主要的影響因素,而決定壓電極化效應(yīng)的晶格失配量隨Al組分變化并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系.該仿真結(jié)果說(shuō)明在上述特定材料厚度下,應(yīng)盡量控制臺(tái)階勢(shì)壘層Al組分不超過(guò)20%,同時(shí)勢(shì)阱層和勢(shì)壘層Al組分約為其1/2時(shí)可以基本消除這兩層材料中的極化電場(chǎng),構(gòu)建出較為理想的“方形”勢(shì)阱結(jié)構(gòu).因此,在后續(xù)器件設(shè)計(jì)時(shí),若各層材料厚度以及臺(tái)階勢(shì)壘層和勢(shì)阱層組分已確定,需要通過(guò)計(jì)算選取優(yōu)化的勢(shì)壘層組分同時(shí)使得勢(shì)壘層和勢(shì)阱層中的極化電場(chǎng)強(qiáng)度盡可能小.

圖5 雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)器件中勢(shì)壘層電場(chǎng)(a)和勢(shì)阱層電場(chǎng)(b)隨勢(shì)壘層Al組分變化的關(guān)系Fig.5.(a) Barrier layer polarization fields and (b) well layer polarization fields as a function of Al mole composition of barrier layer (xbr) for double-step devices.

接下來(lái),仍以圖4(b)所示的材料結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),分析了有源區(qū)各層材料厚度對(duì)勢(shì)壘層極化電場(chǎng)的影響規(guī)律,如圖6所示.左側(cè)縱坐標(biāo)代表勢(shì)壘層的Al組分,每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的選擇是為了保證勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)始終保持為零,右側(cè)縱坐標(biāo)表示為勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)值.可以看到,當(dāng)臺(tái)階勢(shì)壘層厚度和臺(tái)階勢(shì)阱層厚度發(fā)生改變時(shí),勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)將發(fā)生較為劇烈的變化,需要對(duì)勢(shì)壘層中的Al組分進(jìn)行調(diào)節(jié)才能維持其極化電場(chǎng)值為零.另一方面,即使勢(shì)阱層和勢(shì)壘層的厚度發(fā)生改變,勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)都不會(huì)受到影響,因此勢(shì)壘層的Al組分不需要改變就可以保持勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)始終為零.實(shí)際上,在臺(tái)階勢(shì)壘層和臺(tái)階勢(shì)阱層中本身就存在強(qiáng)的極化電場(chǎng)(～MV/cm),當(dāng)其厚度發(fā)生改變時(shí),將導(dǎo)致整個(gè)有源區(qū)的電場(chǎng)分布都會(huì)受到比較大的影響.根據(jù)以上仿真結(jié)果可知,在材料組分確定的情況下,勢(shì)阱層和勢(shì)壘層的厚度可以任意調(diào)節(jié)以獲得期望的躍遷能級(jí)分布,而在這過(guò)程中并不會(huì)影響勢(shì)壘層的電場(chǎng)分布.然而,如果臺(tái)階勢(shì)阱層和臺(tái)階勢(shì)壘層的厚度發(fā)生了改變,則需要對(duì)材料組分重新設(shè)計(jì).

根據(jù)雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)器件工作原理,光生載流子的輸運(yùn)不僅受勢(shì)壘層極化電場(chǎng)的影響,還受到臺(tái)階勢(shì)壘層所引起的阻擋作用.因此,進(jìn)一步對(duì)光生載流子隧穿通過(guò)臺(tái)階勢(shì)壘層的過(guò)程進(jìn)行了分析.圖7(a)和圖7(b)所示分別為臺(tái)階勢(shì)壘層的Al組分和厚度不同時(shí),載流子隧穿透過(guò)率隨能量的變化關(guān)系,圖7(b)中不同厚度下勢(shì)壘層的Al組分發(fā)生改變是為了保證勢(shì)壘層中的極化電場(chǎng)始終為零.從圖中可以看出,當(dāng)光生載流子獲得足夠高的能量后,隧穿透過(guò)率曲線將趨于飽和,即所有的載流子都能通過(guò)臺(tái)階勢(shì)壘層.而在透過(guò)率曲線的上升階段,光生載流子能量相同的情況下,臺(tái)階勢(shì)壘層的Al組分越高、材料厚度越薄,載流子的隧穿透過(guò)率越低.理論上,臺(tái)階勢(shì)壘層作為阻擋結(jié)構(gòu),其阻擋效果直接與勢(shì)壘高度成正比,即與Al組分的大小成正相關(guān),因此容易理解更高Al組分的臺(tái)階勢(shì)壘層載流子隧穿透過(guò)率更低.另外,更薄臺(tái)階勢(shì)壘層下光生載流子隧穿透過(guò)率反而更低的情況,與常規(guī)方形勢(shì)壘的隧穿規(guī)律不同.這主要是由于臺(tái)階勢(shì)壘層中具有極強(qiáng)的極化電場(chǎng),形成了三角形隧穿勢(shì)壘,而且隨著厚度的增加極化電場(chǎng)在增強(qiáng),導(dǎo)致三角形隧穿勢(shì)壘的傾斜程度更大,反而使得有效隧穿勢(shì)壘高度降低.根據(jù)上述分析,光生載流子為了獲得高的隧穿效率,器件設(shè)計(jì)時(shí)需要控制臺(tái)階勢(shì)壘層中的Al組分盡量低,同時(shí)厚度在一定范圍內(nèi)可以適當(dāng)增加.

圖6 雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)器件中勢(shì)壘層極化電場(chǎng)隨各層材料厚度變化的關(guān)系(右側(cè)縱坐標(biāo)),以及為了保持勢(shì)壘層中極化電場(chǎng)始終為零,勢(shì)壘層Al組分隨厚度的變化關(guān)系(左側(cè)縱坐標(biāo))Fig.6.The influence of each layer thickness on the barrier layer polarization fields (right ordinates) and the change of Al mole composition of barrier under the condition that the polarization field in barrier layer is kept at zero (left ordinates) for double-step devices.

圖7 雙臺(tái)階結(jié)構(gòu)器件臺(tái)階勢(shì)壘層Al組分(a)和厚度(b)不同時(shí)載流子隧穿透過(guò)率隨載流子能量的變化關(guān)系Fig.7.Transmission coefficient as a function of energy for double-step devices: (a) With different Al mole compositions of step barrier layer;(b) with different thicknesses of step barrier layer.

4 結(jié) 論

本文分別針對(duì)工作于近紅外波段和太赫茲波段的氮化物子帶躍遷探測(cè)器,通過(guò)自洽求解薛定諤方程和泊松方程,理論分析了材料結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度分布以及極化效應(yīng)等的影響.近紅外波段器件設(shè)計(jì)以抑制有源區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度、讓盡可能多的量子勢(shì)阱被電子填充為目的.仿真結(jié)果指出增加量子勢(shì)阱的周期數(shù)、增大勢(shì)阱摻雜濃度以及保持接觸層材料晶格常數(shù)與有源區(qū)平均晶格常數(shù)相同,均有利于使更多的勢(shì)阱基態(tài)能級(jí)被電子有效填充.太赫茲波段器件模擬以構(gòu)建出“方形”勢(shì)阱,確保光生載流子具有高的輸運(yùn)效率為目的.研究表明勢(shì)壘層Al組分、臺(tái)階勢(shì)壘層厚度和臺(tái)階勢(shì)阱層厚度對(duì)勢(shì)壘層極化電場(chǎng)分布有嚴(yán)重影響,而勢(shì)阱層厚度和勢(shì)壘層厚度變化基本不會(huì)影響極化電場(chǎng)分布.對(duì)于光生載流子隧穿通過(guò)臺(tái)階勢(shì)壘層,降低其Al組分和適當(dāng)增加其厚度均能提高隧穿效率.上述仿真結(jié)果有助于深入理解氮化物子帶躍遷實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)探測(cè)的物理機(jī)理,并為實(shí)際器件結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供重要的支持.