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以色列研发出硅基铝镓氮中红外量子级联探测器

2019-01-14 10:13
来源: 微迷网

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。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。”

以色列研发出硅基铝镓氮中红外量子级联探测器

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。

以色列研发出硅基铝镓氮中红外量子级联探测器

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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