NEA_GaN基双色集成光电阴极的理论模型与结构优化_王壮飞.pdf

136电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering近年来，紫外、红外探测技术在水质监测、杀菌消毒与气象预报、矿产勘探等民用领域广泛应用，但是紫外探测距离较近，红外探测常受气候、目标伪装等因素影响1-6。红外-紫外双色探测技术能同时获得两个波段的信息，增强对目标物的辨识能力，显著提高系统的性能，有着极为重要的应用价值和发展前景3-5。光电阴极作为双色集成探测器的核心部分直接决定了探测器的整体性能，选择合适的光电阴极材料是实现双色探测的关键7。由于紫外、红外光敏材料对应响应波段不同，在能带带隙上具有很大的差异，因而对应着大的晶格失配，难以进行双色集成探测器的制备1-2。GaN 基三元合金 AlxGa(1-x)N 材料具有宽禁带特性、直接带隙、高电子迁移率等优点，其禁带宽度随 Al 组分增加在 3.42 6.2eV连续变化2，是目前理想的紫外光电阴极材料，在紫外光谱已经有成熟的研究7。同时当前基于子带间跃迁（Intersubband transition，ISBT）的III族氮化物量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)飞速发展6，使 GaN 基材料逐渐成为研究双色集成光电阴极的首选。为提高光电发射性能，广泛采用的是负电子亲和势（Negative Electron Affinity，NEA）GaN 基光电阴极，其具有响应度高、暗电流小等优点，是满足微弱探测要求且具有发展潜力的新型光电阴极8。同时已有文献显示量子级联探测（Quantum Cascade Detector,QCD）可在零偏压下工作9-11，解决了在没有外电场的作用下，光电子输运至阴极表面的问题，从而有望通过一个单片集成的 NEA GaN 基量子级联光NEA GaN 基双色集成光电阴极的理论模型与结构优化王壮飞邓文娟朱斌周甜吴粤川（东华理工大学机械与电子工程学院 江西省南昌市 330013）摘要：本文设计了一种负电子亲和势 GaN 基光电阴极量子级联结构的紫外-红外双色集成探测器模型，通过 Nextnano与 Silvaco TCAD 软件研究光电阴极的量子级联层周期数、势阱层厚度、传输层 Al 组分、光照角度以及光进入阴极方向等。优化后的仿真结果表明：量子级联层 10 20 周期，p-GaN 势阱层厚度为 2nm，传输层 Al 组分为 0.4，红外波段光照角度范围为 120 130时器件探测性能好。紫外波段响应峰值波长 300nm，响应度约为 52.97mA/w；红外波段响应峰值波长在1.4m 1.6m 之间，响应度约为 3.92 3.96mA/w。同时仿真显示该光电阴极反射式性能优于透射式。关键词：AlGaN/GaN；光电阴极；量子级联；双色集成探测拉格光栅解调技术综述 J.物理学报,2022,71(09):172-185.2 刘强,李斌雯,孙宇丹,等.基于长周期光纤光栅的FBG 解调方法 J.应用光学,2022,43(01):160-166.3 韩 超,胡 宾 鑫,朱 峰,等.光 纤 光 栅 高 精 度 解调 算 法 研 究 进 展 综 述 J.激 光 与 光 电 子 学 进展,2022,59(13):52-64.4 李鸿强,王润洁,张美玲,等.基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统J.应用光学,2021,42(05):898-905.5 李营,张书练.基于可调谐 FP 滤波器的光纤光栅解调系统 J.激光技术,2005(03):237-240.6 张佳鹏,贾磊,杨莹,等.光纤布拉格光栅解调系统设计及应用 J.电子世界,2020(03):140-142.7 陶辉,莫金海,赵克,等.基于 FPGA 的光纤布拉格光栅解调系统设计 J.仪表技术与传感器,2019(04):61-64.8 张伟,苏超乾,张梅,等.改进光纤光栅应变分布解调算法中优化目标函数的理论与方法 J.中国激光,2019,46(02):171-178.9 郭晓彤,杨秋翔.基于 FPGA 状态机非对称高斯拟合寻峰算法的研究 J.电子设计工程,2018,26(01):161-165.10 张晓鹏,董明利,刘锋,等.基于多级衍射及自适应补偿的光纤光栅传感器解调技术 J.传感技术学报,2015,28(03):330-335.11 陈勇,王坤,刘焕淋,等.三点寻峰算法处理光纤布拉格光栅传感信号 J.光学精密工程,2013,21(11):2751-2756.12 朱梅,张淼,胡立章,等.光纤布拉格光栅中心波长检测中的寻峰算法 J.光通信研究,2011(05):60-63.13 夏彦君,郑世杰.FBG 轴向非均匀应变分布的遗传规划重构方法 J.光电子.激光,2010,21(08):1141-1145.14 尚秋峰,林炳花.光纤 Bragg 光栅传感系统典型寻峰算法的比较分析 J.电测与仪表,2010,47(02):1-4.15 张军英,王冰,王伟,等.基于线阵扫描的 FBG 高温传感解调系统 J.激光杂志,2021,42(10):59-63.作者简介邓文舫（1998-），男，湖北省石首市人。在读硕士，安徽理工大学电气与信息工程学院。研究方向为数字信号处理。137电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering电阴极实现对紫外-红外双波段的探测。本文设计了一种 NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极，利用宽带隙材料的带间跃迁实现紫外吸收和基于子带间跃迁实现红外吸收，并通过仿真不同参数结构对器件性能的影响，不断优化单片集成的紫外-红外双色光电阴极的结构设计。1 理论模型与工作原理本文设计的光电阴极理论模型如图 1 所示。因 GaN 基材料极化特性会影响探测性能且不同生长技术（MBE、MOCVD 等）具有不同的极化方向12，所以仿真分析时假设器件通过 MOCVD 技术，生长方向为 0001，极化方向沿000-1。总的极化强度等于自发极化和压电极化的总和。器件结构如图 1 所示为蓝宝石（0001）衬底上外延生长 AlN 缓冲层，接着是 Al0.4Ga0.6N 下帽层，量子级联区（QCDs）单周期由 p-GaN 势阱层和四周期的组分超晶格(i型 Al0.5Ga0.5N 势垒层、i 型 Al0.4Ga0.6N 传输)层)构成的级联输运区组成，然后是 p-Al0.4Ga0.6N 上帽层，最后是 p-GaN 表面发射层（EML）。本文光电阴极同时实现了对紫外-红外波段的探测，根据 Spicer 提出的光电发射“三步模型”11，GaN 基光电阴极对于紫外波段的探测分为光的吸收光电子的输运光电子的发射，如图 2 所示：第一步光的吸收：GaN 基材料在紫外光照射下，价带中的电子吸收入射光子的能量通过带间跃迁被激发至导带形成光电子。第二步光电子的输运：即光电子在寿命期内通过扩散漂移运动在光电阴极体内向表面输运。输运过程中部分电子会与空穴发生复合而消失，也会因如声子散射、电离杂质散射等而损失能量。对于 NEA GaN 光电阴极，光电发射主要来源于已经热化的 能谷电子的发射，同时考虑到材料内部的内建电场 E，p 型 GaN 光电阴极扩散漂移方程可表示为13-14：图 2：NEA GaN 基光电阴极紫外波段探测原理图图 3：量子级联光电阴极红外波段光的吸收、光电子输运原理图图 1：NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极结构图138电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering （1）式（1）中，n1(x)是阴极材料发射层中产生的电子浓度，x 对于反射式光电阴极是阴极内某点到发射表面的距离，Dn是电子扩散系数，是材料内的电子迁移率，是少数载流子寿命，Te是阴极发射层厚度。g(x)为光电子产生函数，表达式为：（2）式（2）中，I0是入射光的光强；是 GaN 发射层对入射光的光吸收系数；R 是阴极材料对入射光的反射率；设空间电荷区与发射层间的界面为 x=0，且运动到表面的光电子或者被收集或者在表面被复合消失，则得到边界条件为：（3）第三步光电子的发射：输运至阴极表面的光电子隧穿势垒发射至真空。由于 NEA 特性，隧穿过去的光电子可以轻易逸出，从而实现紫外波段的探测。但是存在一个逸出概率，光电子只能以一定几率逸出。红外波段与紫外波段的探测主要区别在于入射光的吸收与光电子的输运，如图 3 所示。首先光的吸收是量子级联区p-GaN 量子阱导带中基态能级的电子吸收红外波段光子通过子带间跃迁至激发态能级上产生光电子；光电子的输运首先先通过共振隧穿(Resonant Tunneling,RT)的方式进入级联输运区（Cascade transport），再借助纵光学声子(Longitudinal Optical phonon,LO phonon)辅助隧穿的方式通过输运区，输运区各个量子阱的能级高度逐渐降低一个能量来保证较高级联输运效率；到达输运区末端电子通过扩散漂移运动通过上帽层并进入发射区中；最后光电子的发射同样是隧穿表面势垒逸出至真空中，从而实现量子级联光电阴极对红外波段的探测9-11,15。2 仿真结果与分析本文使用半导体光电子器件仿真软件 Nextnano 与Silvaco TCAD 对器件性能进行联合仿真，GaN 基光电阴极进行双色探测的难点在于红外波段。首先使用 Nextnano 对量子级联区 p-GaN 量子阱导带中的子能级进行仿真分析，从而确定敏感的红外波段。单周期量子级联导带仿真图如图4 所示，因极化电场导致能带边发生弯曲。AlGaN 导带底向上弯曲，GaN 导带底向下弯曲，主要是因为 AlGaN 体材料的费米能级高于 GaN 体材料所致12。电子跃迁波长和跃迁能级差的关系式为1：（4）式（4）中 h 是普朗克常数；c 是光速；E 是电子进行子带间跃迁能级差，单位为 eV；是入射光子的波长，单位为m。图 5 为光电阴极量子级联区域的 p-GaN 量子阱导带中子能级与波函数仿真结果，量子阱导带中有四个分立的能级，基态到激发态的能级差与对应的红外波段分别为：E01=0.43eV（2.88m）；E02=0.79eV（1.57m）；E03=0.88eV（1.41m）；本文设计的 NEA GaN 基紫外-红外双色集成量子级联光电阴极在近红外光波段目标探测范围为 1.4m1.7m，故该光电探测器理论上在 1.4m-1.6m 范围内应存在响应峰值。同时使用 Silvaco TCAD 软件对器件的结构参数与性能进行仿真验证，仿真涉及的材料特性如能带结构参数（电子亲和势、禁带宽度、介电常数、导带与价带密度）、迁移率参数（电子与空穴迁移率、饱和速度）、复合参数（电子与空穴俄歇系数、光学复合速率、SRH 复合的电子与空穴寿命）、载流子统计参数（施主、受主能级）、光学参数（折射率 n、消光系数 k）等数据来自于 GaN 基半导体材料研究图 4：单周期量子级联导带仿真图图 5：p-GaN 量子阱导带中子能级与波函数仿真图139电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering的相关文献、书籍等1,7-16；同时根据设计的器件结构特性和材料的光学、电学参数以及实际生长、制备工艺等条件，使用 Silvaco TCAD 软件选择的物理仿真模型主要包括：（1）传输方程模型：Non-local Quantum Barrier Tunneling Model 等；（2）载流子统计模型：Fermi-Dirac Statistics Model；（3）浓度依赖迁移率模型：conmob；（4）