半导体学报2019年第12期——深紫外发光材料与器件专题

深紫外发光材料与器件专题

近年来，可以在紫外线（UV）范围工作的材料和器件引起了广泛的关注，并因此得到了快速发展。一方面，GaN基蓝光和白光LED的蓬勃发展引起了照明领域的革命，许多研究人员正致力于Al(Ga)N材料和Al(Ga)N基UV器件的研究工作，旨在探索III族氮化物器件在更短波长范围内的更多潜在应用。另一方面，一些带隙处于紫外范围的二元合金，如SiC、Ga₂O₃、BN等，已经在多方面得到了应用。紫外线材料的发展为紫外线器件奠定了基础，但每种材料都有其优点和局限性。为了提高材料质量和器件性能，其面对的障碍和挑战需要我们进一步研究和努力。

《半导体学报》组织了一期“深紫外发光材料与器件”专题，并邀请中国科学院半导体研究所李晋闽研究员、北京大学王新强教授、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员和中国科学院半导体研究所魏同波研究员共同担任特约编辑。该专题已于2019年第12期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。

本专题包含来自8个研究小组的研究成果，涵盖了紫外材料与器件领域正在进行或正在兴起的研究方向。其中包含关于紫外光电材料和器件的最新进展以及紫外激光器的综述，基于III族氮化物、III族氧化物、二维材料及其异质集成的DUV发光和检测器件的综述，介绍SiC UV单光子计数雪崩光电二极管的最新进展并解决其面临的挑战和问题的综述，概述HVPE生长AlN的综述文章，以及报道了基于BGaN和AlGaN的277 nm DUV LD的研究文章。还有一篇文章报道了通过MOCVD在纳米图案化的蓝宝石衬底上生长AlN的方法，以及另一篇文章报道了利用等离子体辅助脉冲激光沉积方法生长Ga₂O₃的方法。

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专题论文

1. 深紫外集成光子和光电子器件：Ⅲ族氮化物、III族氧化物和二维材料杂化应用的前景

阿卜杜拉国王科技大学Boon S. Ooi教授等概述了基于氮化铝镓，氮化硼及其合金的紫外和深紫外III族氮化物光电器件的设计和制造进展，并综述了其与二维和氧化物基材料的异质集成。本文突出了宽禁带氮化物半导体（如（B，Al，Ga）N）在深紫外应用方面的潜力，同时也强调了二维材料，即石墨烯、二维氮化硼和二维过渡金属二卤化钴与氧化镓一起作为杂化集成材料的应用。本文简述了这些材料的晶体学性质，并详细阐述了在实现高效、可靠的紫外线和深紫外线器件方面的挑战。此外，还概述了氮化铝、蓝宝石和氧化镓在深紫外光电器件上的应用，揭示了蓝宝石在高效深紫外器件应用的不足，并详细说明了在氮化铝和氧化镓衬底上生长并制造器件的一些进展。本文还对深紫外光发射和检测材料及设备的当前状态进行了评论。

图17. 生长速率为（a）250 nm/h和（b）50 nm/h下两个AlN层的AFM图像。通过控制生长速率生长的两个420 nm厚的AlN / Si（110）样品中（c）有和（d）没有V形凹坑的侧面截面STEM图像。

Deep-ultraviolet integrated photonic and optoelectronic devices: A prospect of the hybridization of group III–nitrides, III–oxides, and two-dimensional materials

Nasir Alfaraja, Jung-Wook Mina, Chun Hong Kang, Abdullah A. Alatawi, Davide Priante, Ram Chandra Subedi, Malleswararao Tangi, Tien Khee Ng and Boon S. Ooi

J. Semicond. 2019, 40(12), 121801

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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2. SiC-UV单光子计数雪崩光电二极管的研究进展

紫外单光子探测器在军事和民用领域有重要的应用前景，例如紫外天文学、导弹羽焰检测、环境监测、电晕检测、紫外通信等。雪崩光电二极管（APD）由于具有高量子效率、高内部增益、强稳定性、小尺寸、低功耗等优点而成为微弱紫外探测的优选器件。4H-SiC作为新型第三代半导体材料缺陷密度低，材料生长和器件制备工艺相对成熟，是制备紫外APD的理想材料。虽然具有单光子探测能力的SiC APD时有报道，但是这些器件仍存在许多问题需要解决，如暗计数高，单光子探测性能低以及焦平面探测线阵等问题。

南京大学陆海教授等主要介绍了紫外雪崩单光子探测器的工作原理，设计难点以及近年来发展的特殊结构。详细介绍了部分漕隔离，recess结构，SACM结构和Al离子注入4H-SiC APD。

文章提出了采用部分漕隔离和深槽隔离结合的APD结构 (图 1)，提高器件填充因子的同时，减少器件间的串扰可能性，这种结构非常适用于焦平面成像阵列。

图 1. 部分漕隔离和深槽隔离结合的4H-SiC APD结构

近年来，虽然4H-SiC APD的性能不断提高，但仍存在雪崩增益不均匀，单光子探测效率低等问题。本文首次利用APD在雪崩击穿下的发光情况，来讨论SiC APD雪崩不均匀现象，结果显示器件台面内的雪崩不均匀性与晶向有关，如图2所示。非均匀雪崩主要是由于材料的偏轴生长造成的非均匀的空穴积累和电场屏蔽引起。这对优化器件结构、提高性能有重要指导意义。

图2. 不同电极结构4H-SiC APD反向发光

Recent progress of SiC UV single photon counting avalanche photodiodes

Linlin Su, Dong Zhou, Hai Lu, Rong Zhang and Youdou Zheng

J. Semicond. 2019, 40(12), 121802

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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3. 氢化物气相外延制备氮化铝

AlN、GaN及其合金的带隙覆盖了200-365 nm紫外光谱范围，是制备深紫外光电器件的理想材料。AlN基紫外光电子和微电子器件具有体积小、重量轻、电压低、功耗小、波长可调、耐高温、抗辐照等优势，在生物医疗、光电探测、短距离通信、环境净化以及高密度存储等方面存在巨大应用前景。然而，由于缺乏高质量的AlN单晶衬底材料，上述器件不得不采用异质生长技术来实现，在异质外延过程中存在的较大晶格适配和热失配，严重制约了器件性能的提升和新型器件的研发。因此，研制用于同质外延的AlN单晶衬底材料已成为国际上III族氮化物半导体的研究热点和产业界关注的新焦点。

目前产业界普遍采用物理气象传输法（PVT）制备AlN单晶衬底，位错密度非常低，但点缺陷浓度有待进一步降低。过高的点缺陷密度导致材料在深紫外区域吸收严重，大大降低了在其上制备的深紫外光电子器件性能。氢化物气相外延法（HVPE）具有设备简单、成本低、生长速度快等优点，生长的AlN材料深紫外光透过率比较高，是一种理想的制备深紫外光电子器件衬底的方法。

采用HVPE生长AlN单晶衬底，首先需要解决设备问题。AlN的生长温度要求比较高，通常在1400℃以上。如何获得高温HVPE设备，是需要解决的一个关键问题。其次，在HVPE生长工艺中，通常采用异质衬底如SiC、蓝宝石、Si等通过异质外延生长AlN厚膜，而后通过剥离技术和研磨抛光技术获得AlN单晶衬底。而异质外延过程中存在的较大晶格适配和热失配，严重制约了高质量AlN厚膜的制备。

北京化工大学数理学院张纪才教授等对目前国内外AlN生长现状、主要设备技术和生长技术以及亟待解决的问题进行了总结。目前，HVPE生长AlN技术仍然处于发展阶段。随着设备技术及生长技术的逐步成熟，HVPE生长技术将会是实现高质量、高紫外透射率、大尺寸AlN单晶衬底材料的重要生长技术。

The fabrication of AlN by hydride vapor phase epitaxy

Maosong Sun, Jinfeng Li, Jicai Zhang and Wenhong Sun

J. Semicond. 2019, 40(12), 121803

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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4. 基于可溶解金属硫族化合物的柔性可拉伸光电探测器和可穿戴医疗气体传感器

佐贺大学同步光应用中心郭其新教授等通过氧等离子体辅助脉冲激光沉积（PLD）法在蓝宝石c面衬底上沉积氧化镓材料。氧自由基由电感耦合等离子体源产生，并研究了射频功率对生长速率的影响。等离子体辅助生长的薄膜其生长速度为原来的2.7倍。X射线衍射和拉曼光谱分析表明，在500°C的等离子体辅助下生长的材料为β-Ga₂O₃。当等离子体RF功率增加时，生长薄膜的粗糙度降低。这些薄膜的透射率至少为80％，并在250 nm处有明显的吸收边，这与先前报道的数据一致。

图2. 在500°C温度下，RF功率介于0至300 W范围内制造的薄膜的XRD 2θ/θ扫描结果图。

Growth properties of gallium oxide on sapphire substrate by plasma-assisted pulsed laser deposition

Congyu Hu, Katsuhiko Saito, Tooru Tanaka and Qixin Guo

J. Semicond. 2019, 40(12), 122801

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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5. 在AlN衬底上生长B_0.313Ga_0.687N/B_0.40Ga_0.60N量子阱和Al_xGa_1-xN异质结的277nm DUV-LD设计

郑州大学信息工程学院刘玉怀教授等设计了一种发射277 nm激光的紫外C波段激光二极管，该二极管由Mg和Si掺杂Al_xGa_1-xN层上的B_0.313Ga_0.687N / B_0.40Ga_0.60N QW / QB异质结组成，并且实现了已报道的深紫外激光中替代受体和供体浓度的最低值，即N_A= 5.0×10¹⁷ cm^–3，N_D= 9.0×10¹⁶ cm^–3。假设该结构生长在块状AlN衬底上，并在室温且于连续波下工作。尽管氮化硼宽带隙在深紫外区域具有很高的适用性，但是对富铝AlGaN合金中三元合金BGaN的研究仍有空缺。根据模拟结果，量子阱中的平均局部增益为1946 cm^–1，最大发射功率为2.4 W，阈值电流为500 mA，斜率效率为1.91 W/A，并且V–I曲线中可以得到平均直流电阻为0.336 Ω。随着对不同EBL的研究，本文设计的结构包括锥形和反锥形结构。因此，锥形EBL结构与已发表的结果有很好的吻合性，而反向锥形EBL结构负担较重。

图3. 模拟结构右半部分的结构示意图，实际腔体长度为1500 µm。

A contrivance of 277 nm DUV LD with B_0.313Ga_0.687N / B_0.40Ga_0.60N QWs andAl_xGa_1-xN heterojunction grown on AlN substrate

Mussaab I. Niass, Muhammad Nawaz Sharif, Yifu Wang, Zhengqian Lu, Xue Chen, Yipu Qu, Zhongqiu Du, Fang Wang and Yuhuai Liu

J. Semicond. 2019, 40(12), 122802

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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6. 纳米图案化蓝宝石衬底上氮化铝形貌演变的研究

高质量的AlN模板是实现高性能深紫外发光二极管以及激光二极管的基础。目前而言，蓝宝石仍是外延AlN模板的最合适的衬底材料。然而，在蓝宝石衬底上外延AlN单晶存在着较高密度的穿透位错(Threading dislocation density, TDD), 其数量级大约在10⁹-10¹⁰cm^-2，从而严重恶化了器件的内量子效率。本课题组近年来一直致力于通过纳米图形衬底获得高质量AlN外延层。其主要原理是依靠纳米图形衬底实现材料的侧向外延，在此过程中部分位错发生弯曲和湮灭从而降低材料的位错密度。

中国科学院半导体研究所闫建昌研究员等对于图形衬底上侧向外延AlN的形貌演变及生长控制进行了一些研究。实验结果表明生长温度是调控AlN生长模式的主要参数。当薄膜的生长温度从1200℃降低至1130℃时，AlN的{11-22}晶面会稳定生长，从而使得在生长过程中AlN薄膜表面的C晶面成分逐渐消失，形成了规则排布的倒纳米金字塔阵列（Fig.1）。其主要原因可能是温度影响了AlN{11-22}晶面的不同表面构型的表面能。在低温下，{11-22}晶面的N极性表面能够稳定的存在，同时由于在富N的外延气氛下，该类型表面具有较慢的生长速度，使得最终薄膜的生长前沿由{11-22}晶面构成。

该研究揭露了影响AlN薄膜合并的关键因素，提供了在图形衬底上操控AlN生长的方式。同时，该发现也能为许多AlN晶体的理论研究提供实验佐证。此外，本文所得到的AlN倒纳米金字塔阵列为实现半极性深紫外器件提供了一种新的思路。

图1. 纳米图形衬底上生长的AlN倒金字塔阵列。

Study of the morphology evolution of AlN grown on nano-patterned sapphire substrate

Zhuohui Wu, Jianchang Yan, Yanan Guo, Liang Zhang, Yi Lu, Xuecheng Wei, Junxi Wang and Jinmin Li

J. Semicond. 2019, 40(12), 122803

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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研究论文

1. 热电子对势垒二极管工作的影响

不久前有报道称利用电荷传输的蒙特卡洛（MC）模型和漂移扩散（DD）模型对GaAs / Al_0.3Ga_0.7As势阱势垒（PWB）二极管中的热电子效应进行了研究。

阿伯丁大学电气与电子工程系M. Akura教授等从电场、平均电子速度和电势、平均电子能量和Γ能谷数等方面说明了二极管的工作和行为。MC模型预测得出高偏压会导致载流子发热，且载流子在阳极（集电极）处的背散射会导致流过二极管的电流降低。在1.0 V偏压下，实验结果、MC和DD仿真模型获得的电流密度分别为1.35 μA/μm²、1.12 μA/μm²和1.77 μA/μm²。该结构中有少量电荷沉积在势阱中，导致势垒高度略有减小，所以与常规模型相比，以上电流的降低在一定程度上会得到补偿。DD模型在相同的偏压和条件下会产生更大的电流。但在偏压非常低时，即处于0.3 V以下，载流子将不会产生任何加热效应，DD模型和MC模型与实验结果具有高度一致性。而偏压较高时，DD和MC模型I–V特性的显著差异证明了考虑这些器件时能量传输的重要性。

图1. 势阱势垒二极管的外延结构示意图，图中标明了所有设计参数。

Hot electron effects on the operation of potential well barrier diodes

M. Akura, G. Dunn and M. Missous

J. Semicond. 2019, 40(12), 122101

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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2. 镉掺杂提高无甲胺钙钛矿太阳能的效率和稳定性

到目前为止，含有甲胺离子的有机无机杂化钙钛矿电池已经展现出了非常高的光电转换效率，但该类电池的稳定性一直是亟待解决的重要问题。

中国科学院半导体研究所游经碧研究员等使用一步反溶剂法制备了一种无甲胺离子的钙钛矿薄膜Cs_xFA_1-xPbI₃，另外通过在钙钛矿晶格中引入离子半径较小的镉离子以取代部分铅离子从而释放钙钛矿结构中过大的内部应力。有趣的是，我们发现镉离子的引入可以有效地提高钙钛矿薄膜的结晶质量和载流子的寿命，由此制备出了光电转换效率高达20.59%的钙钛矿太阳能电池。更为重要的是，此类钙钛矿太阳能电池的光电转换效率在连续光照1200小时后仍能维持在初始效率的94%。相信在未来，通过掺杂机制的引入，我们可以制备出具有更高效率和稳定性的钙钛矿太阳能电池。

图1. 掺杂与未掺杂镉离子的器件表现 (a) 不同器件的J-V曲线 (b) 不同器件的光照稳定性测试

Improved efficiency and photo-stability of methylamine-free perovskite solar cells via cadmium doping

Yong Chen, Yang Zhao, Qiufeng Ye, Zema Chu, Zhigang Yin, Xingwang Zhang and Jingbi You

J. Semicond. 2019, 40(12), 122201

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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3. 铁电材料参数变化对负电容电容器最小亚阈值摆动影响的解析模型

在本文中，国立理工学院Raheela Rasool教授等研究了负电容电容器中最小亚阈值摆幅所需的矫顽场、残余极化和铁电材料厚度之间的关系。本文中铁电材料特性的相互依赖性由NC电容器亚阈值区域中的电容匹配条件决定。本文提出了一种分析模型，用以确定由特定的铁电材料决定的最佳铁电厚度和沟道掺杂程度，以实现最小的亚阈值摆幅。本文结果对已发表文献中已有的数值和实验结果进行了验证。此外，在半导体制造技术的背景下，本文获得了NC-FET栅极堆叠中所用的不同铁电材料的最小亚阈值摆幅。本文以表格形式给出了针对五种不同铁电材料计算出的沟道掺杂、铁电厚度和最小亚阈值。

图1.（a）基于MFMIS的NC-FET的示意图。（b）等效电容分压器。

Analytical model for the effects of the variation of ferrolectric material parameters on the minimum subthreshold swing in negative capacitance capacitor

Raheela Rasool, Najeeb-ud-Din and G. M. Rather

J. Semicond. 2019, 40(12), 122401

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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4. 接触刻蚀工艺优化提高射频工艺晶片边缘成品率

射频工艺量产产品遇到低良率的问题，失效分析看到通孔断开现象。结合射频工艺特点，上海华虹宏力半导体制造有限公司刘张李工程师等提出了失效机制。由于密集和稀疏版图的不同特性，内部介质层化学机械研磨过程会在靠近晶圆边沿会出现较大的台阶差。稀疏图形区域会出现更厚的抗反射涂层。通过增加通孔刻蚀第一步打开抗反射涂层的时间，以获得更大的工艺窗口，从而解决掉了通孔断开的问题。优化后的工艺条件获得了好的通孔形貌和电阻一致性。为射频工艺产品，优化工艺和提高良率提供参考。

Contact etch process optimization for RF process wafer edge yield improvement

Zhangli Liu, Bingkui He, Fei Meng, Qiang Bao, Yuhong Sun, Shaojun Sun, Guangwei Zhou, Xiuliang Cao and Haiwei Xin

J. Semicond. 2019, 40(12), 122402

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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5. 基于FDTD法的底痕不对称DBO测量波长的选择

随着集成电路制造中晶体管特征尺寸(CD)不断微缩，光刻工艺中的套刻误差(overlay)控制面临越来越严峻的挑战。当前，被工业界广为使用的套刻误差量测技术大致可以分为基于图像的套刻误差测量(Image Based Overlay, IBO)和基于衍射的套刻误差测量(Diffraction Based Overlay, DBO)两种。近年来研究指出，同传统IBO技术相比，DBO的一些特点使其有潜力成为主流的套刻误差量测技术，如：DBO的整体量测不确定性(Total Measurement Uncertainty, TMU)被实验证明在1纳米以下；DBO量测设备导致的量测误差(Tool induced shift, TIS)也几乎为零等，为满足双重或多重曝光技术严苛的套刻要求提供了解决方案。

中国科学院微电子研究所韦亚一研究员等采用时域有限差分法，结合DBO量测原理，建立了一个套刻误差仿真物理模型，经过仿真可优化量测波长选择。在利用衍射量测套刻误差的过程中，不同量测波长对套刻标记的敏感度差异大，导致不同的量测结果。实际生产中因存在套刻标记被损坏的工艺缺陷，会使获得量测信号在真实的套刻误差信号外还包含污染信号。通过仿真，比较了不同波长对于套刻误差的敏感度。在调整相关参数后，不同量测环境下、具有较高准确性和稳定性的量测波长可通过该模型仿真获得。这项工作为先进技术节点中的套刻误差研究提供了新思路。

图. 建立模型中的仿真域示意图

Selection of DBO measurement wavelength for bottom mark asymmetry based on FDTD method

Buqing Xu, Qiang Wu, Lisong Dong and Yayi Wei

J. Semicond. 2019, 40(12), 122403

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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6. 改进偏置失配和电荷共享的CMOS图像传感器列读出电路

CMOS图像传感器源于其相对于CCD图像传感器的高集成度、低功耗与低成本优势，已经变得更受欢迎。作为影响动态范围和信噪比的关键参数—噪声，是目前像素单元设计和读出电路设计中的研究热点。为了降低时域噪声，通常在列级读出链路中的第一级采用高增益放大器，这在暗光条件下是很有用的，但是在亮光条件下会限制电压输出摆幅。因此，高增益技术不能同时兼顾光电输入的两个极端。

西安理工大学郭仲杰教授等基于对列级读出电路中噪声的引入源头分析为起点，提出了一种可抑制失调失配和电荷分享效应的简易可行列级读出电路，并基于55 nm CMOS工艺中实现了一款1024×1024规模的CMOS图像传感器，测试结果表明，明场和暗场下的读出噪声均可以得到有效控制，为低噪声高动态CMOS图像传感器的研究提供了一定的理论基础。

Column readout circuit with improved offset mismatch and charge sharing for CMOS image sensor

Zhongjie Guo, Ningmei Yu and Longsheng Wu

J. Semicond. 2019, 40(12), 122404

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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7. 基于光谱学的太阳电池外量子效率的模拟与应用

南开大学光电薄膜器件与技术研究所张晓丹教授等提出了一种基于光谱的太阳电池外量子效率（EQE）光谱的光学模拟方法，该方法基于测试的透射光谱和反射光谱。首先，为了获得更准确的折射率和消光系数，本文依据测量的反射光谱和透射光谱修正了文中报道的光学常数。利用得到的各层光学常数来模拟器件的EQE谱。该方法提供了一种简单、准确、通用的获得不同电池层实际光学常数的方法。将EQE模拟方法分别应用于具有本征层（HIT）的扁平异质结和织构异质结太阳电池，计算结果与实验数据吻合良好。此外，本文还分析了不同器件的光损耗。

图1. 本文研究的（a）扁平和（b）织构HIT太阳电池结构示意图。

Simulation and application of external quantum efficiency of solar cells based on spectroscopy

Guanlin Chen, Can Han, Lingling Yan, Yuelong Li, Ying Zhao and Xiaodan Zhang

J. Semicond. 2019, 40(12), 122701

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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8. 三材料双栅隧穿场效应管结构电特性的紧凑二维解析模型

除了三材料双栅（TMDG）隧道FET的电场外，Dayananda Sagar College of Engineering的C. Usha教授等还提出了一种紧凑的二维表面势分析器件模型。TMDG TFET器件模型利用了沟道耗尽层内的抛物线近似以及漏极和源极之间的边界态近似。TMDG TFET器件用于根据电位电压、横向和垂直电场的变化等来分析TMDG结构的电学性能。由于TMDG TFET的结构简单紧凑，所以针对其表面电势可以进行很有效的计算，因此该结构可以用来分析和表征栅极控制器件。此外，利用凯恩（Kane）模型可以对流过漏极的电流进行建模。从该器件模型获得的图形结果接近于技术计算机辅助设计（TCAD）仿真的数据结果。

图1. 三金属双栅极TFET（n型）的结构示意图。

A compact two-dimensional analytical model of the electrical characteristics of a triple-material double-gate tunneling FET structure

C. Usha and P. Vimala

J. Semicond. 2019, 40(12), 122901

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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9. 隧道补偿多量子红外探测器

GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器（QWIPs）是近二十年来迅速发展起来的一种新型的红外探测器，其能带结构可精确设计从而获得指定光谱响应，加之稳定的材料性质，成熟的大面积、高均匀外延材料制备技术和器件工艺，使其非常适宜制作大面积红外探测阵列和多色器件，是最具潜力的中、长波红外探测器件之一。作为红外系统的核心部件，红外探测器在军事侦察、制导与跟踪、夜视、预警，以及资源普查、天气预报、空间探测、工业控制、医疗等诸多关系到国民经济与军事技术发展领域有巨大的应用，很多国家特别是军事部门投入了大量人力、物力、财力进行红外器件与系统研究开发。

常规的GaAs/AlGaAs QWIPs器件结构采用N型的GaAs为势阱、本征型AlGaAs为势垒交替外延生长数十周期，得到多量子阱材料。通过改变势阱的宽度（GaAs材料的外延厚度）和势垒的高度（AlGaAs材料中Al的组份），控制量子阱中子能级的位置，从而调整器件的探测波长，同时还可以通过调整掺杂浓度、势垒厚度和量子阱数目，改善器件的暗电流特性。常规的QWIPs器件在工作时，量子阱中的电子受光激发从量子阱中跃迁出来并在电场下进行输运，形成光电流，此时量子阱中的空位必须会由流经该阱的注入—补偿电流进行补偿，才能实现稳态的光电导，且光电流大小与阱数无关。由于GaAs/ AlGaAs QWIPs结构利用子带间吸收实现红外探测，子带态密度较低，限制了器件的光电响应，使得器件的探测率不高。

针对常规GaAs/AlGaAs QWIPs上述不足，北京工业大学邓军教授等提出了一种与传统机构不同的隧道补偿—高场输运机制，能大大提高探测器的光电流和器件性能。新结构器件的基本单元由四部分组成：P+-AlGaAs区、N+-GaAs区、GaAs/AlGaAs superlattice区、i-AlGaAs区，其中由P+-AlGaAs 和N+-GaAs 组成的隧道PN 结，GaAs/AlGaAs superlattice区为光吸收区，i-AlGaAs 形成电流阻挡层。把这个基本单元串联起来可以形成一种新型的多级结构。下图为具有两个周期结构的新型器件在一定的偏置条件下的能带示意图。

图. 隧道补偿双周期器件偏置下能带示意图

新结构器件工作时处于反向偏置状态，由于很难向P 型半导体的导带中注入电子，因此在新结构中不存在传统多量子阱红外探测器导带中的注入—补偿电流；在没有光照的时候，超晶格中处于费米能级以下的基态能带基本被电子填满。由于没有对应的空状态，从P 型区价带通过隧穿到N 型区导带的电子流很小，器件维持在很低的暗电流（主要来自于阱区热激发）的水平。当超晶格区受到红外辐照时，会有大量的电子受激跃迁到高能态，在外电场的作用下电子被输运形成光电流，此时超晶格区中基态能带的大量空位会由P 区价带的电子，通过隧穿机制进行填充，从而保证连续的光电导。跃迁出超晶格的光电子在外电场的作用下，越过i-AlGaAs层，进入下一级由P+-AlGaAs 和N+-GaAs组成的PN结区，被PN结强大的内建势场加速，以高漂移速度越过下一个吸收区。当器件为多个周期结构时，光电子将穿过多个PN结内建大势场并得到加速，使大部分产生的光电子最终能被电极收集到，实现器件的光电流大小与超晶格吸收区的个数呈正比，实现大光电流。

新结构GaAs/AlGaAs QWIPs克服了传统的多量子阱红外探测器光电流小，暗电流大的缺点，提高了器件的性能，会很好地提升红外焦平面阵列器件乃至红外成像系统的性能，带动如消防、安全、资源普查、天气预报、空间探测、工业控制、医疗、通信等诸多关系到国民经济与军事技术领域的发展，从而推动首都国民经济的建设和发展，具有重大的理论与现实意义，具有很好的应用前景。

Improvement of tunnel compensated quantum well infrared detector

Chaohui Li, Jun Deng, Weiye Sun, Leilei He, Jianjun Li, Jun Han and Yanli Shi

J. Semicond. 2019, 40(12), 122902

doi: 10.1088/1674-4926/40/12/

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