NEA GaN基雙色集成光電陰極的理論模型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王壯飛 鄧文娟 朱斌 周甜 吳粵川

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 江西省南昌市 330013）

近年來，紫外、紅外探測(cè)技術(shù)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、殺菌消毒與氣象預(yù)報(bào)、礦產(chǎn)勘探等民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但是紫外探測(cè)距離較近，紅外探測(cè)常受氣候、目標(biāo)偽裝等因素影響[1-6]。紅外-紫外雙色探測(cè)技術(shù)能同時(shí)獲得兩個(gè)波段的信息，增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)物的辨識(shí)能力，顯著提高系統(tǒng)的性能，有著極為重要的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景[3-5]。光電陰極作為雙色集成探測(cè)器的核心部分直接決定了探測(cè)器的整體性能，選擇合適的光電陰極材料是實(shí)現(xiàn)雙色探測(cè)的關(guān)鍵[7]。由于紫外、紅外光敏材料對(duì)應(yīng)響應(yīng)波段不同，在能帶帶隙上具有很大的差異，因而對(duì)應(yīng)著大的晶格失配，難以進(jìn)行雙色集成探測(cè)器的制備[1-2]。GaN 基三元合金AlxGa(1-x)N 材料具有寬禁帶特性、直接帶隙、高電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，其禁帶寬度隨Al 組分增加在3.42 ～6.2eV連續(xù)變化[2]，是目前理想的紫外光電陰極材料，在紫外光譜已經(jīng)有成熟的研究[7]。同時(shí)當(dāng)前基于子帶間躍遷（Intersubband transition，ISBT）的III 族氮化物量子阱紅外探測(cè)器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)飛速發(fā)展[6]，使GaN 基材料逐漸成為研究雙色集成光電陰極的首選。

為提高光電發(fā)射性能，廣泛采用的是負(fù)電子親和勢(shì)（Negative Electron Affinity，NEA）GaN 基光電陰極，其具有響應(yīng)度高、暗電流小等優(yōu)點(diǎn)，是滿足微弱探測(cè)要求且具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸怆婈帢O[8]。同時(shí)已有文獻(xiàn)顯示量子級(jí)聯(lián)探測(cè)（Quantum Cascade Detector,QCD）可在零偏壓下工作[9-11]，解決了在沒有外電場(chǎng)的作用下，光電子輸運(yùn)至陰極表面的問題，從而有望通過一個(gè)單片集成的NEA GaN 基量子級(jí)聯(lián)光電陰極實(shí)現(xiàn)對(duì)紫外-紅外雙波段的探測(cè)。

本文設(shè)計(jì)了一種NEA GaN 基紫外-紅外雙色集成量子級(jí)聯(lián)光電陰極，利用寬帶隙材料的帶間躍遷實(shí)現(xiàn)紫外吸收和基于子帶間躍遷實(shí)現(xiàn)紅外吸收，并通過仿真不同參數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響，不斷優(yōu)化單片集成的紫外-紅外雙色光電陰極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 理論模型與工作原理

本文設(shè)計(jì)的光電陰極理論模型如圖1所示。因GaN 基材料極化特性會(huì)影響探測(cè)性能且不同生長(zhǎng)技術(shù)（MBE、MOCVD 等）具有不同的極化方向[12]，所以仿真分析時(shí)假設(shè)器件通過MOCVD 技術(shù)，生長(zhǎng)方向?yàn)閇0001]，極化方向沿[000-1]?？偟臉O化強(qiáng)度等于自發(fā)極化和壓電極化的總和。

圖1：NEA GaN 基紫外-紅外雙色集成量子級(jí)聯(lián)光電陰極結(jié)構(gòu)圖

器件結(jié)構(gòu)如圖1所示為藍(lán)寶石（0001）襯底上外延生長(zhǎng)AlN 緩沖層，接著是Al0.4Ga0.6N 下帽層，量子級(jí)聯(lián)區(qū)（QCDs）單周期由p-GaN 勢(shì)阱層和四周期的組分超晶格(i型Al0.5Ga0.5N 勢(shì)壘層、i 型Al0.4Ga0.6N 傳輸)層)構(gòu)成的級(jí)聯(lián)輸運(yùn)區(qū)組成，然后是p-Al0.4Ga0.6N 上帽層，最后是p-GaN 表面發(fā)射層（EML）。

本文光電陰極同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)紫外-紅外波段的探測(cè)，根據(jù)Spicer 提出的光電發(fā)射“三步模型”[11]，GaN 基光電陰極對(duì)于紫外波段的探測(cè)分為光的吸收—光電子的輸運(yùn)—光電子的發(fā)射，如圖2所示：

圖2：NEA GaN 基光電陰極紫外波段探測(cè)原理圖

第一步光的吸收：GaN 基材料在紫外光照射下，價(jià)帶中的電子吸收入射光子的能量通過帶間躍遷被激發(fā)至導(dǎo)帶形成光電子。

第二步光電子的輸運(yùn)：即光電子在壽命期內(nèi)通過擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)在光電陰極體內(nèi)向表面輸運(yùn)。輸運(yùn)過程中部分電子會(huì)與空穴發(fā)生復(fù)合而消失，也會(huì)因如聲子散射、電離雜質(zhì)散射等而損失能量。

對(duì)于NEA GaN 光電陰極，光電發(fā)射主要來源于已經(jīng)熱化的Γ能谷電子的發(fā)射，同時(shí)考慮到材料內(nèi)部的內(nèi)建電場(chǎng)E，p 型GaN 光電陰極擴(kuò)散漂移方程可表示為[13-14]：

式（1）中，n1(x)是陰極材料發(fā)射層中產(chǎn)生的電子濃度，x對(duì)于反射式光電陰極是陰極內(nèi)某點(diǎn)到發(fā)射表面的距離，Dn是電子擴(kuò)散系數(shù)，μ是材料內(nèi)的電子遷移率，是少數(shù)載流子壽命，Te是陰極發(fā)射層厚度。g(x)為光電子產(chǎn)生函數(shù)，表達(dá)式為：

式（2）中，I0是入射光的光強(qiáng)；是GaN 發(fā)射層對(duì)入射光的光吸收系數(shù)；R是陰極材料對(duì)入射光的反射率；設(shè)空間電荷區(qū)與發(fā)射層間的界面為x=0，且運(yùn)動(dòng)到表面的光電子或者被收集或者在表面被復(fù)合消失，則得到邊界條件為：

第三步光電子的發(fā)射：輸運(yùn)至陰極表面的光電子隧穿勢(shì)壘發(fā)射至真空。由于NEA 特性，隧穿過去的光電子可以輕易逸出，從而實(shí)現(xiàn)紫外波段的探測(cè)。但是存在一個(gè)逸出概率，光電子只能以一定幾率逸出。

紅外波段與紫外波段的探測(cè)主要區(qū)別在于入射光的吸收與光電子的輸運(yùn)，如圖3所示。首先光的吸收是量子級(jí)聯(lián)區(qū)p-GaN 量子阱導(dǎo)帶中基態(tài)能級(jí)的電子吸收紅外波段光子通過子帶間躍遷至激發(fā)態(tài)能級(jí)上產(chǎn)生光電子；光電子的輸運(yùn)首先先通過共振隧穿(Resonant Tunneling,RT)的方式進(jìn)入級(jí)聯(lián)輸運(yùn)區(qū)（Cascade transport），再借助縱光學(xué)聲子(Longitudinal Optical phonon,LO phonon)輔助隧穿的方式通過輸運(yùn)區(qū)，輸運(yùn)區(qū)各個(gè)量子阱的能級(jí)高度逐漸降低一個(gè)能量來保證較高級(jí)聯(lián)輸運(yùn)效率；到達(dá)輸運(yùn)區(qū)末端電子通過擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)通過上帽層并進(jìn)入發(fā)射區(qū)中；最后光電子的發(fā)射同樣是隧穿表面勢(shì)壘逸出至真空中，從而實(shí)現(xiàn)量子級(jí)聯(lián)光電陰極對(duì)紅外波段的探測(cè)[9-11,15]。

圖3：量子級(jí)聯(lián)光電陰極紅外波段光的吸收、光電子輸運(yùn)原理圖

2 仿真結(jié)果與分析

本文使用半導(dǎo)體光電子器件仿真軟件Nextnano 與Silvaco TCAD 對(duì)器件性能進(jìn)行聯(lián)合仿真，GaN 基光電陰極進(jìn)行雙色探測(cè)的難點(diǎn)在于紅外波段。首先使用Nextnano 對(duì)量子級(jí)聯(lián)區(qū)p-GaN 量子阱導(dǎo)帶中的子能級(jí)進(jìn)行仿真分析，從而確定敏感的紅外波段。單周期量子級(jí)聯(lián)導(dǎo)帶仿真圖如圖4所示，因極化電場(chǎng)導(dǎo)致能帶邊發(fā)生彎曲。AlGaN 導(dǎo)帶底向上彎曲，GaN 導(dǎo)帶底向下彎曲，主要是因?yàn)锳lGaN 體材料的費(fèi)米能級(jí)高于GaN 體材料所致[12]。

圖4：?jiǎn)沃芷诹孔蛹?jí)聯(lián)導(dǎo)帶仿真圖

電子躍遷波長(zhǎng)和躍遷能級(jí)差的關(guān)系式為[1]：

式（4）中h 是普朗克常數(shù)；c 是光速；E是電子進(jìn)行子帶間躍遷能級(jí)差，單位為eV；λ 是入射光子的波長(zhǎng)，單位為μm。

圖5 為光電陰極量子級(jí)聯(lián)區(qū)域的p-GaN 量子阱導(dǎo)帶中子能級(jí)與波函數(shù)仿真結(jié)果，量子阱導(dǎo)帶中有四個(gè)分立的能級(jí)，基態(tài)到激發(fā)態(tài)的能級(jí)差與對(duì)應(yīng)的紅外波段分別為：E01=0.43eV（2.88μm）；E02=0.79eV（1.57μm）；E03=0.88eV（1.41μm）；本文設(shè)計(jì)的NEA GaN 基紫外-紅外雙色集成量子級(jí)聯(lián)光電陰極在近紅外光波段目標(biāo)探測(cè)范圍為1.4μm~1.7μm，故該光電探測(cè)器理論上在1.4μm-1.6μm 范圍內(nèi)應(yīng)存在響應(yīng)峰值。

圖5：p-GaN 量子阱導(dǎo)帶中子能級(jí)與波函數(shù)仿真圖

同時(shí)使用Silvaco TCAD 軟件對(duì)器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真涉及的材料特性如能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)（電子親和勢(shì)、禁帶寬度、介電常數(shù)、導(dǎo)帶與價(jià)帶密度）、遷移率參數(shù)（電子與空穴遷移率、飽和速度）、復(fù)合參數(shù)（電子與空穴俄歇系數(shù)、光學(xué)復(fù)合速率、SRH 復(fù)合的電子與空穴壽命）、載流子統(tǒng)計(jì)參數(shù)（施主、受主能級(jí)）、光學(xué)參數(shù)（折射率n、消光系數(shù)k）等數(shù)據(jù)來自于GaN 基半導(dǎo)體材料研究的相關(guān)文獻(xiàn)、書籍等[1,7-16]；同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)特性和材料的光學(xué)、電學(xué)參數(shù)以及實(shí)際生長(zhǎng)、制備工藝等條件，使用Silvaco TCAD 軟件選擇的物理仿真模型主要包括：

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

（2）載流子統(tǒng)計(jì)模型：Fermi-Dirac Statistics Model；

（3）濃度依賴遷移率模型：conmob；

（4）復(fù)合模型：Shockley-Read-Hall 復(fù)合模型(consrh)、俄歇復(fù)合模型(auger)、光學(xué)復(fù)合模型(optr)等；

（5）載流子生成模型：帶-帶隧穿模型(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，以期符合器件的實(shí)際情況。

本文設(shè)計(jì)的量子級(jí)聯(lián)光電陰極是周期性的，采用反射式，初始仿真參數(shù)如表1所示，以10 周期QCDs 為基準(zhǔn)，紫外波段（0.2~0.4μm）從器件上方垂直照射，紅外波段（1.4~1.7μm）從器件右側(cè)上方呈130°照射。

表1：量子級(jí)聯(lián)光電陰極初始參數(shù)

通常用光譜響應(yīng)來表征NEA 光電陰極的探測(cè)性能，指的是陰極所產(chǎn)生的光電流與接收光照功率的比值，表達(dá)式為：

式（5）中為入射光的波長(zhǎng)，為光照下產(chǎn)生的光電流，

為入射光輻射功率，單位為W，光譜響應(yīng)是光波長(zhǎng)的函數(shù)，單位為mA/W，其數(shù)值由陰極本身的特性決定，與入射光源無關(guān)。常用光譜響應(yīng)曲線表示，即隨入射光譜的分布。本文利用光譜響應(yīng) 對(duì)比四種結(jié)構(gòu)參數(shù)下光電陰極的探測(cè)性能，從而獲得優(yōu)化后的光電陰極結(jié)構(gòu)。

2.1 不同QCDs層周期數(shù)對(duì)光電陰極的影響

依次仿真一、五、十、十五、二十、三十周期QCDs 層，得到光譜響應(yīng)如圖6所示。由圖中可以看出不同QCDs 層周期數(shù)在紫外波段光譜響應(yīng)好且曲線趨勢(shì)一致，數(shù)值無明顯差異，峰值波長(zhǎng)在300nm；但隨著QCDs 層周期數(shù)的增加，紅外波段光譜響應(yīng)數(shù)值先增加后減少，十周期數(shù)值最優(yōu)，但整體上本文光電陰極對(duì)紅外波段的響應(yīng)是較弱的。

圖6：不同QCDs 層周期數(shù)光譜響應(yīng)圖

這是因?yàn)锳lxGa(1-x)N 是極好的紫外光敏材料，所以在紫外波段有較好的光譜響應(yīng)。同時(shí)本文光電陰極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隨著材料吸收系數(shù)的變化而變化，約為70nm ～160nm[8]，絕大部分作用在上帽層，所以QCDs 層周期數(shù)的改變基本不會(huì)對(duì)紫外波段的吸收產(chǎn)生明顯影響。

紅外波段的光譜響應(yīng)較紫外弱，是因?yàn)閷?duì)紅外光的探測(cè)主要是通過p-GaN 量子阱導(dǎo)帶中電子的子帶間躍遷來實(shí)現(xiàn)光的吸收，而GaN 材料禁帶寬度大對(duì)紅外光響應(yīng)弱且對(duì)于子帶間躍遷來說，只有進(jìn)行摻雜才能提供較多的電子-空穴對(duì)。而QCDs 層為十周期時(shí)光譜響應(yīng)較好，是因?yàn)殡S著周期數(shù)的增加，光電陰極整體厚度增加，光照射面積變大，有源區(qū)產(chǎn)生的光電子數(shù)隨之增加，最終逸出的電子數(shù)也會(huì)增加，所以對(duì)于一、五、十周期，隨著周期數(shù)的增加光譜響應(yīng)隨之提高。但隨著周期數(shù)一直增加，光電子發(fā)射需要隧穿和輸運(yùn)的距離就越遠(yuǎn)，同時(shí)本文光電陰極并未外加電壓，依靠量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)和內(nèi)建電場(chǎng)向表面輸運(yùn)過程中被復(fù)合、損耗能量的光電子數(shù)也就越多，導(dǎo)致最終發(fā)射的電子數(shù)降低，所以對(duì)于十、十五、二十、三十周期，紅外波段整體光譜響應(yīng)度又有下降。結(jié)合材料在紅外波段的吸收系數(shù)小，光子在p-GaN量子阱層才有可能被吸收，當(dāng)周期數(shù)較少的時(shí)候，可能會(huì)出現(xiàn)紅外光穿透量子級(jí)聯(lián)有源區(qū)而無法有效利用的情況，綜合考慮QCDs 層的最佳范圍是10 ～20 周期。

2.2 p-GaN量子阱層厚度對(duì)光電陰極的影響

依次仿真p-GaN 量子阱層厚度2nm、4nm 和6nm，得到不同p-GaN 量子阱層厚度對(duì)光電陰極光譜響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖中可以看出本文光電陰極在紫外波段響應(yīng)較好，隨著勢(shì)阱層厚度的增加，光譜響應(yīng)數(shù)值基本重合，相差不大。因?yàn)樽贤獠ǘ蔚奶綔y(cè)主要是依靠上帽層價(jià)帶電子吸收光子，所以量子阱層的厚度變化對(duì)紫外波段的探測(cè)影響不大。

圖7：p-GaN 量子阱層不同厚度光譜響應(yīng)圖

但紅外波段的光譜響應(yīng)隨著勢(shì)阱層厚度的增加而減少，在1.45μm 處有峰值。對(duì)紅外波段的探測(cè)是通過p-GaN 勢(shì)阱內(nèi)形成的特定子能級(jí)之間或者子能級(jí)到連續(xù)態(tài)之間的躍遷再經(jīng)過級(jí)聯(lián)區(qū)進(jìn)行輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)的。量子阱厚度的增加不僅會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)帶中子能級(jí)的變化，還會(huì)影響激發(fā)態(tài)電子共振隧穿通過勢(shì)壘的概率，從而最終影響陰極發(fā)射電子的數(shù)目，導(dǎo)致光譜響應(yīng)值降低，所以本文光電陰極p-GaN 量子阱層厚度最終設(shè)計(jì)為2 nm。

2.3 i-AlxGa(1-x)N傳輸層不同Al組分對(duì)光電陰極的影響

由于量子級(jí)聯(lián)區(qū)域各層結(jié)構(gòu)很薄，材料實(shí)際生長(zhǎng)過程中可能會(huì)出現(xiàn)因Al 組分變化過大而導(dǎo)致的晶格失配問題，從而最終影響器件整體的探測(cè)性能，所以依次仿真Al 組分為0.25、0.4 的i-AlxGa(1-x)N 傳輸層，得到其光譜響應(yīng)如圖8所示。從圖中可以看出本文光電陰極在紫外波段的光譜響應(yīng)幾乎不受Al 組分變化的影響，而在紅外波段下光譜響應(yīng)是隨著Al組分的增加而增大。

圖8：傳輸層不同Al 組分光譜響應(yīng)圖

這是因?yàn)樵诩{米材料厚度不變和忽略介電常數(shù)的影響下，AlxGa(1-x)N 材料的極化電場(chǎng)強(qiáng)度是隨著Al 組分的增加而變大。當(dāng)紅外光照射時(shí)，傳輸層i-AlxGa(1-x)N 輸運(yùn)光電子的速度就會(huì)加快，也會(huì)減少在輸運(yùn)過程中的復(fù)合、能量損耗等，最終逸出的電子數(shù)就會(huì)變多。同時(shí)考慮到量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，傳輸層Al 組分不可能與勢(shì)壘層Al0.5Ga0.5N 中的Al組分相同或更大，那么將無法實(shí)現(xiàn)零偏壓下對(duì)紅外波段的探測(cè)。因此對(duì)于本文光電陰極來說，傳輸層Al 組分的最佳值是0.4，既可以減少電子輸運(yùn)過程中的損耗又可避免在材料實(shí)際生長(zhǎng)過程中因Al 組分變化過大而導(dǎo)致的晶格失配。

2.4 紅外波段不同光照角度對(duì)光電陰極的影響

直接帶隙材料形成的量子阱具有一維限制結(jié)構(gòu)（電子在材料生長(zhǎng)方向受限），子帶間躍遷要求電磁波的電場(chǎng)有與量子阱的生長(zhǎng)方向垂直的分量。當(dāng)入射光垂直于器件表面與量子阱生長(zhǎng)方向一致時(shí)，吸收為零，無法探測(cè)。為解決上述存在的問題，通常對(duì)照射量子阱的光源采用布儒斯特角、對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)面磨45°角或是對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行光柵設(shè)計(jì)等。本文仿真了紅外波段不同光照角度對(duì)陰極性能的影響，得到其光譜響應(yīng)曲線如圖9所示。從圖中可以得出本文光電陰極最佳光照角度范圍為120°~130°，響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在1.4μm~1.6μm 之間，響應(yīng)度約為3.92~3.96mA/W。

圖9：紅外波段不同光照角度光譜響應(yīng)圖

2.5 器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的仿真結(jié)果

光電陰極優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)后的光譜響應(yīng)仿真結(jié)果如圖10所示，器件在紫外波段光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)300nm，響應(yīng)度為52.97mA/W；紅外波段有響應(yīng)且響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在1.45μm 處，與Nextnano 軟件仿真分析器件在近紅外波段1.4μm-1.6μm范圍內(nèi)應(yīng)存在響應(yīng)峰值的結(jié)論相吻合，響應(yīng)度為3.92mA/W。AlxGa(1-x)N 因其本身優(yōu)越的特性是極好的紫外光敏材料，所以本文光電陰極對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)更側(cè)重于提高器件在紅外波段的探測(cè)性能。

圖10：光電陰極優(yōu)化結(jié)構(gòu)紫外-紅外波段光譜響應(yīng)圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種NEA GaN 基紫外-紅外雙色集成量子級(jí)聯(lián)光電陰極，結(jié)合器件實(shí)際生長(zhǎng)、制備等條件，確定了光電陰極的優(yōu)化結(jié)構(gòu)：QCDs 層采用10~20 周期，p-GaN 量子阱層厚度為2nm，i-AlxGa(1-x)N 傳輸層Al 組分為0.4，紅外波段最佳光照角度為120°~130°之間。優(yōu)化后的光電陰極在目標(biāo)探測(cè)范圍內(nèi)紫外波段響應(yīng)峰值波長(zhǎng)300nm，響應(yīng)度約為52.97mA/W；紅外波段響應(yīng)峰值波長(zhǎng)在1.4μm~1.6μm 之間，響應(yīng)度約為3.92mA/W~3.96mA/W。同時(shí)仿真對(duì)比了紫外與紅外波段下反射式、透射式GaN 基光電陰極光譜響應(yīng)的探測(cè)效果并最終采用反射式光電陰極。

本文基于GaN 基材料的自身性質(zhì)、量子級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的特性與光電陰極不同的工作模式等，結(jié)合器件實(shí)際生長(zhǎng)與制備條件等現(xiàn)實(shí)因素進(jìn)行了大量的仿真工作，為后續(xù)NEA GaN基紫外-紅外雙色集成量子級(jí)聯(lián)光電陰極的實(shí)際生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)與器件制備結(jié)構(gòu)提供了理論指導(dǎo)。