長波帶間級聯(lián)探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、基金項(xiàng)目：基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61534006，61290302，615052376150523561404148），國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0402403），中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員資助（2016219）FoundationFoundationitems:items:SupptedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(NSFC61534006，61290302，6

2、15052376150523561404148)theNationalKeyResearchDevelopmentProgramofChina(2016YFB0402403)theYouthInnovationPromotionAssociation（2016219）作者簡介作者簡介(Biography)(Biography)：田源（1992），男，山東淄博人，碩士研究生在讀，主要研究領(lǐng)域?yàn)榘雽?dǎo)體光電子.Email:tianyuan@s

3、hanghaitech.通訊作者通訊作者:Email:...長波帶間級聯(lián)探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)田源123，周易1，柴旭良12，徐志成1，陳建新123，何力1(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所上海200083；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049；3.上?？萍即髮W(xué)，上海201210)摘要：要：本文針對帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)在長波探測上的設(shè)計(jì)應(yīng)用，采用包絡(luò)函數(shù)近似下的二帶模型和傳輸矩陣方法，考慮電子和輕空穴耦合，計(jì)算了帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)多量子阱弛豫區(qū)的Ek關(guān)系和詳細(xì)

4、能帶信息。特別優(yōu)化了弛豫區(qū)結(jié)構(gòu)，在保證光生載流子在弛豫區(qū)中隧穿幾率的前提下首次利用周期性量子阱結(jié)構(gòu)拓展弛豫區(qū)厚度，降低吸收區(qū)中電場強(qiáng)度，抑制產(chǎn)生復(fù)合電流和隧穿電流，提高器件電學(xué)性能。制備的該兩級結(jié)構(gòu)長波帶間級聯(lián)探測器10.5μm處量子效率達(dá)到了20%，證實(shí)了弛豫區(qū)與隧穿區(qū)具有良好的光生載流子輸運(yùn)。器件在80K下50%截止波長為11.5μm，是目前帶間級聯(lián)結(jié)構(gòu)在80K工作溫度下所獲得最長波長的紅外探測器。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:長波帶間級聯(lián)探測器；

5、傳輸矩陣方法；能帶中圖分類號：中圖分類號：TN302文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AStructuraldesignofLongwavelengthinterbcadephotodetectsTIANYuan123ZHOUYi1CHAIXuLiang12XUZhiCheng1CHENJianXin123HELi1(1.ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics，ChineseAcademyofSciences，Sh

6、anghai200083，China2.UniversityofChineseAcademyofScienceBeijing100049China3.ShanghaiTechUniversityShanghai201210China)Abstract:InthispaperdirectedatdesignapplicationoftheinterbcadestructureinlongwavelengthdetectionEkrelat

7、ionenergybinfmationofMultiquantumwellrelaxationregionwerecalculatedbyusingtwobmodelundertheenvelopefunctionapproachtransfermatrixmethod.Thestructureofrelaxationregionwasspeciallyoptimized.Onthepremiseofthetunnelingproces

8、sofphotongeneratedcarriersinrelaxationregiontheelectricfieldofabsptionregionwasreducedtosuppressgenerationrecombinationcurrenttunnelingcurrenttoimprovetheelectricalperfmanceofdevice.Thequantumefficiencyofprepareddoublest

9、ageinterbcadephotodetectwasupto20%at10.5μmwhichprovedthattherelaxationregiontunnelingregionhadwelltransptofphotoexcitedcarriers.The50%cutoffwavelengthofthedevicewas11.5μmat80Kwhichwasthelongestwavelengthinfrareddetectofi

10、nterbcade陣方法，通過Matlab對帶間級聯(lián)探測器弛豫區(qū)能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，確保載流子正常輸運(yùn)。利用Crosslight模擬器件整體電場分布，優(yōu)化器件各個(gè)區(qū)域厚度，抑制器件暗電流。優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)通過分子束外延和器件工藝，成功制備了長波帶間級聯(lián)探測器，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1理論部分1.1二帶模型與傳輸矩陣方法[9，10]計(jì)算模型采用的是基于包絡(luò)函數(shù)近似下的二帶模型，由于弛豫區(qū)只涉及電子能級的計(jì)算，因此只考慮電子和輕空穴耦合。該方

11、法計(jì)算簡潔，易于編程實(shí)現(xiàn)。設(shè)沿z方向?qū)Ш蛢r(jià)帶波函數(shù)分別為和，則有二帶薛定諤方程如下：v（1）[Ec?2220?Pk?Pk??2220][v]=[v]其中k為波矢，P為動(dòng)量矩陣元，E為電子能量，和分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶能級，Ec0為自由電子質(zhì)量。（2）?=(?1022)?1P的值由（2）式給出，其中為電子有效質(zhì)量。?（1）式中薛定諤方程的通解可表示為：（3）[v]=[()(?)[()?(?)]]其中，，，A和B為波函數(shù)系數(shù)，其值由=?Pk?k

12、=[(?)(?)]12(?P)邊界條件確定。考慮相鄰界面處波函數(shù)連續(xù)，由（3）式得到相鄰兩層材料i和j在界面j處波函數(shù)的關(guān)系如下：（4）()[]=()[]其中和均為第i層材料中波函數(shù)的系數(shù)，()=。[exp()exp(?)exp()?exp(?)]對（4）式變形得到（5）[]=()?1()[]其中。()?1=12[exp(?)exp(?)exp()?exp(?)]綜上，通過一個(gè)22的傳輸矩陣可以得到第1層波函數(shù)系數(shù)，與第n層波函數(shù)系1B