【8～12μm超晶格量子阱红外探测材料与器件】
MBE、MOCVD和CBE等技术的发展，有可能经人工交替重复生长几十层厚度为原子层量级的高质量单晶薄膜－超晶格材料。它给人们提供了一条用超晶格、量子阱材料实现8～12μm红外探测的新途径。1991年陈长达介绍一种GaAs－GaAlAs多量子阱红外探测器，但它是N掺杂的光导型多量子阱器件，用的是一种直接带隙的半导体材料。其工作原理是，利用量子阱内导带的子带光电子从束缚态至连续态跃迁产生红外共振吸收原理。由于GaAs势阱中电子的量子机构对带间吸收的跃迁选择定则决定红外光不能垂直入射，因此需采用布氏角入射或用光栅、腐蚀栅结构来耦合垂直入射辐射。这种器件是光导型的，必须外加偏置，增加了功耗，此外，器件有较大的暗电流，为了提高器件的探测率需降低工作温度。近来发展建立在价带子带空穴吸收理论上的p型GaAs－GaAlAs光导型多量子阱材料，根据空穴跃迁的选择定则，允许垂直入射。同时还发展了低功耗的光伏型(或称Kasltalsky型)GaAs－GaAlAs探测器和以GaAs或InGaAs为基极的GaAs－GaAlAs红外热电子晶体管。Ga1－xAlxSb－AlSb与GexSi1－x－Si这两种是间接带隙半导体材料，由于其有效质量的各向异性，能够克服不能垂直入射的缺点，此外，400×400的GexSi1－x－Si内光电子发射长波红外探测器已经研制成功。
1991年Levine等人首次证明GaAs价带内子带空穴跃迁的量子阱红外探测器，与以前报道的N型掺杂导带内子带的电子跃迁具有极强的共振吸收的量子阱探测器不同。由于在K≠0时轻、重空穴的强混合允许垂直入射辐射。样品元在(100)半绝缘衬底上用MBE生长50周期p=4×1018cm－3(Be掺杂)宽度为30或40×10－10m的GaAs势阱和宽度为300×10－10m的Al0．3Ga0．7As势垒，电极为p=4×1018cm－3。从垂直入射与45°入射响应光谱的比较可看出，垂直入射采用背面光照形式，入射面需经抛光。这两种情况光谱曲线是相同的，其λp=7．2μm，λc=7．9μm；垂直入射的响应率高于45°入射，其窄势阱响应移向长波，当Lw=30×10－10m时λc=8．6μm，Lw=40×10－10m时，λc=7．9μm，这与N型量子阱探测器相同。现器件性能已达到在77K，
，λc=7．9μm。光导工作模式虽有较高的电流响应率，但需加偏置，故功耗较高，且暗电流亦较高。Bellcore首先成功制备了工作于3．6～6．2μm的光伏型探测器，现已扩展到8～12μm范围。它由在GaAs(n=1．0×1018cm－3)的二电极之间夹着50周期宽度为73×10－10m的GaAs势阱(Si掺杂3．0×1017cm－3)和宽度为65×10－10m不掺杂的Al0．27Ga0．73势垒及一层1000×10－10m的AlxGa1－xAs梯度层(x=0～0．18)所组成，在势垒顶下有两个子带，x=0．18的梯度势垒低于第一个激发子带，但远远高于基态。梯度层的作用可阻止暗电流流向收集极，类似于光学的保护膜的功能。PV探测器的光谱宽度认为是由势阱间隧道作用决定，可改变超晶格的势垒厚度控制，即薄和高的势垒允许具有较低暗电流的宽带探测。现已得到工作温度24K、D*≈2×108cmHz1／2／W的探测器。如果通过特殊设计与制作超晶格两边的端面，使子带的电子最佳地透射和反射，可改进信号电流，同时改进梯度层的设计，降低势阱中载流子浓度，降低热离子发射引起的暗电流，可以期待得到工作温度40K、D*≈1011cmHz1／2／W的探测器。长波IHET是利用GaAs－AlGaAs多量子阱结构作为发射极，一层宽的GaAs或InGaAs量子阱作为基极，在收集极前有一较厚的最小势垒作为能量滤波器，它允许较高能量的光电流通过它而到达收集极，并阻挡较低能量的暗电流通过。被阻挡的暗电流通过基极漏掉，达到限制暗电流增加光电流的目的。IHET是用MBE在(100)半绝缘衬底上首先生长重掺杂n+=1．2×1018cm－3、厚度为6000×10－10m的GaAs作发射极，接着生长50周期由n=1．2×1018cm－3宽度为40×10－10m的GaAs势阱和不掺杂宽度为200×10－10m的Al0．25Ga0．75As势垒组成的多量子阱，再生长InGaAs基极和2000×10－10m的Al0．25Ga0．75As高通电子能量滤波器，最后生长N=1．2×1018cm－3、厚1000×10－10m的GaAs作为收集极，其测量性能优于多量子阱探测器，77K时，D*≈1．4×1010cmHz1／2／W，λc=9．5μm，可以达到10μm时，D*≈1011cmHz1／2／W，其噪声等效温差比相应的N型多量子阱探测器小36倍，这是一种极有希望的长波红外探测器。Ga1－xAlxSb－AlSb和GexSi1－x－Si系统是间接带隙半导体材料，其有效质量是各向异性的，当导带谷的基轴相对于生长方向倾斜时，它能使电子在平行与垂直方向流动之间耦合起来，可允许垂直入射。在GexSi1－x－Si超晶格材料中，导带的偏离较小，主要是价带的偏移，另外Ge与Si之间有较大的晶格失配(4．2%)，因此需仔细选择势阱与势垒的材料，以使得导带的偏移大到足以达到较大的子带间吸收，晶格失配小到足以允许应变超晶格生长所要求的严格的厚度。而N型Ga1－xAlxSbAlSb(0．2＜x＜0．55)与GexSi1－x－Si比较，前者有较大的导带偏移和较小的晶格失配(GaSb与AlSb之间失配0．65%)更有利于带间吸收。GexSi1－x－Si多量子阱材料是用MBE在高阻(100Ωcm)Si(100)面上生长由50周期宽度为30×10－10m，p型掺杂浓度为～1×1019cm－3的Ge0．15Si0．85势阱与不掺杂宽度为500×10－10m的Si势垒组成的量子阱，量子阱的两端为掺杂(p≈1×1018cm－3)厚度分别为1μm和0．5μm的Si层电极。选择Ge的组分和势阱宽度使重空穴束缚态在势阱中，第一扩展激发态接近势垒的连续带，允许有效收集通过子带间的光激发载流子和／或吸收自由载流子。用MBE生长工艺，采用Ge、Si和HBO23个源在阻值为20～40Ωcm的p－Si(100)衬底上生长一层厚度约为500～600μm，然后进行高浓度的B掺杂(1×1020cm－3)，使能带达到简并态。研究表明：GexSi1－x－Si异质中90%的能带偏移是价带的偏移，10%才是导带的偏移。由于p+GeSi高掺杂形成简并态，内光电子发射集中在费米能级EF附近，异质结价带的不连续性形成的势垒qφ，确定了探测器的截止波长。当红外辐射被GeSi层吸收后产生的光电子发射，有足够能量的电子越过势垒而到达p型衬底形成光电流。GexSi1－x－Si异质结内光电子发射红外探测器可通过对组分x的调节来控制其响应波长。其均匀性与肖特基势垒器件相当，可利用Si集成工艺，单片集成，有利于实现焦平面器件，其量子效率好于同样波长的Ir－Si肖特基势垒长波红外探测器。目前已研制了400×400的Ge0．44Si0．56－Si异质结内光电子发射探测器列阵，其λ=9．3μm，工作温度为53K，响应率不均匀性小于1%(rms值)，最小可分辨温差0．2K，已清楚地成像。长波红外探测应用的超晶格材料和量子阱器件进展是十分迅速的，90年代超晶格材料与量子阱探测器的研究将是非常活跃的研究领域。(华北光电研究所陈世达撰)