以色列理工学院研发出硅基铝镓氮中红外量子级联探测器
2019-01-12 10:30:59 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
据麦姆斯咨询报道，以色列理工学院宣布首次完成在直径4英寸的硅衬底上生长铝镓氮（AlGaN）量子级联探测器（QCD），该论文于2018年12月7日发表在IEEE Electron Device Letters期刊上。
据麦姆斯咨询报道，以色列理工学院（Technion-Israel Institute of Technology）宣布首次完成在直径4英寸的硅衬底上生长铝镓氮（AlGaN）量子级联探测器（QCD），该论文于2018年12月7日发表在IEEE Electron Device Letters期刊上，论文链接为https://ieeexplore.ieee.org/document/8567921。该QCD的探测波长处于中红外范围内（3~8μm）。在量子级联结构中，长波长是通过子带间跃迁（ISBT）来激发。
该研究团队表示：“成功地在硅基上制备氮化镓（GaN）ISBT光电器件，对集成光电子技术有着积极作用，展现了在超宽光谱范围内实现超高速运行的巨大潜力。”
图1 （a）QCD结构示意图。（b）计算1.5个周期QCD有源区域的导带分布与电子束缚态的移位平方包络函数；红色垂直箭头表示光跃迁，灰色箭头表示电子在萃取器区域的传输方向。
图1中的QCD是基于子带间跃迁能量267meV的30个周期级联结构，对应波长为4.49μm。纵向光学（LO）声子辅助隧穿促进了能级间的电子流动。红外激发的结构可产生光电电压。
用于QCD结构的AlN/Si（111）4英寸模板，采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）工艺制备。在720°C条件下，利用等离子体附助分子束外延（PAMBE）方法来生长器件层（device layer）。
器件在外延片上划片的7mm x 7mm芯片上制造。利用电感耦合等离子体（ICP）技术刻蚀实现700μm x 700μm台面。金属触点由钛/铝（Ti/Al）组成。台面顶部中心保持远离触点金属，并作为前照射进入吸收层的窗口。
由于附近出现的4.3μm（如图2）二氧化碳吸收，阻碍了峰值检测波长的确定。研究人员在18K提取了4.14μm峰值，在150K红移至4.5μm（红移是指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象，在可见光波段，表现为光谱的谱线朝红端移动了一段距离，即波长变长、频率降低）。18K检测线宽为半峰全宽（FWHM）1.26μm。峰值响应也随着温度的升高而降低，在150K以上明显消失在噪声中。
图2 器件的光谱响应。下降是由于二氧化碳的吸收。插图：信号的温度依赖性显示，峰值信号在18K。
绝对响应度采用1000K的碳化硅球状黑体源进行测量。温度18K时，测量到162pA光电流对应44μA/W的响应。结合响应度、黑体孔径面积和电流噪声谱密度（15.4fA/√Hz）的探测率，在温度19K时为2x108 Jones。
研究人员在论文中提出了一些后续改进建议：优化吸收、萃取效率与阻力之间的权衡；减少从基态到萃取器量子阱的冗余对角线跃迁、增加电阻且减少暗电流；通过将萃取阶段的能级调整到LO声子阶梯来提升电子传输率；通过增加掺杂来提高量子阱中的电子密度，以获得更大的吸收。
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