量子點紅外探測器的性能優化

劉紅梅，董麗娟，石云龍

（1.山西大同大學固體物理研究所，山西大同037009）(2.山西省高等學校重點實驗室（山西大同大學），山西大同037009）

量子點紅外探測器的性能優化

劉紅梅1,2，董麗娟1,2，石云龍1,2

（1.山西大同大學固體物理研究所，山西大同037009）(2.山西省高等學校重點實驗室（山西大同大學），山西大同037009）

量子點紅外探測器是近年來出現的一種新型低維納米結構探測器，因其優越的特性引起了人們的廣泛關注。本文給出了一種估算量子點紅外探測器光電流的方法，并以此為基礎，進一步研究了探測器結構對光電流性能的影響。結果顯示，當結構參數層內量子點密度和量子點橫向尺寸的取值都比較小時，探測器能獲得一個高的光電流。

量子點紅外探測器；光電流；性能優化

隨著探測器應用范圍的不斷擴大，人們對探測器性能的要求越來越高。光電流作為量子點紅外探測器的一種重要性能，其取值大小代表著量子點紅外探測器對紅外光的轉變能力的大小，引起了人們的廣泛關注[1-3]。2010年，A.Rogalski等人通過考慮電子的熱激發和場輔助隧穿激發建立了量子點紅外探測器的模型，實現了光電流的計算[4]。2012年通過考慮納米尺度電子傳輸和微米尺度電子傳輸的影響更新了光電流的計算方法[5]。在此基礎上，2014年光電流的計算被進一步細化，考慮了外加偏置電壓對電子遷移率的影響[6]。基于上面的這些工作，本文主要對量子點紅外探測器光電流的估算方法進行了研究，通過進一步分析結構參數對探測器性能的影響，給出了量子點紅外探測器光電流性能的優化方法。

1 算法

眾所周知，當紅外光入射到量子點紅外探測器的光敏區時，處于基態的電子躍遷到激發態，這些處于激發態的電子在探測器外加偏置電壓的作用下發生定向運動，形成探測器的光電流，因而量子點紅外探測器的光電流為

其中，e是電子電荷，Φs是入射到探測器上的光通量，η是量子效率，gp光電導增益，它等于電子的壽命與電子的渡越時間的比值[4]，即

其中，K是量子紅外探測器中量子點復合層的層數，Pk是俘獲概率,滿足[7]:

其中，P0k為不帶電量子點對電子的俘獲概率，取值為1；aQD是量子點的橫向尺寸；NQD是量子點內所含的最大電子數的平均值；εr是構成量子點材料的相對介電常數；N是量子點內平均電子數。在量子紅外探測器中，確定量子點內平均電子數是一個極其復雜的問題，可根據暗條件下的電流平衡關系來得到，這在文獻[6]中有具體的討論。

將(3)式帶入(2)式，能得到：

在量子點紅外探測器中，量子效率η依賴于量子點內平均電子數，能寫為[4-6]:

其中，δ是電子俘獲截面系數，∑QD是層內量子點密度。

將(4)式和(5)式帶入(2)式，得：

其中，δ為電子俘獲截面系數，Φs為入射的光通量值，其取值為8×1017photons∕cm2s。

2 結果與討論

根據前面給出的方法，本小節給出了量子點紅外探測器光電流的計算結果，并驗證了其計算的正確性，此外還進一步研究了結構參數對探測器光電流性能的影響。表1是用于計算量子點紅外探測器光電流的相關參數的取值[4-5,9]。

表1 量子點紅外探測器的參數

圖1 100K時探測器的光電流

圖1是溫度在100K時，量子點紅外探測器的光電流。在這個圖中，標記為紅色三角形的曲線代表根據上面的方法得到的計算值，標記為黑色方塊的曲線是實驗測量值[9]。比較這兩條曲線發現，整體上理論計算值和實驗測量值比較一致，這證實了本文給出的光電流計算方法是正確的。然而，我們也能注意到零電場附近的計算值和實驗值存在一定的差異，這可能是由計算時沒有考慮一些參數如μ對電場強度的依賴性導致的。此外，這些曲線還隨著電場強度的增加而增加。以理論計算的結果為例，當電場強度從2 kV∕cm增加到8 kV∕cm時，光電流從0.54 A增加到1.29 A。實驗曲線也顯示同樣的增加趨勢。光電流的這種增加趨勢能解釋為：當電場強度增加時，電子的運動速度加快，形成光電流的電子增多，最終導致光電流變大。

圖2 層內量子點密度對光電流的影響

圖2是量子點層內密度對光電流的影響。在確定的外加偏置電場5 kV∕cm下，層內量子點密度為2×1010cm2時量子點紅外探測器的光電流為6.44×104A，當層內量子點密度增加10×1010cm2時，光電流則降低到0.391 A。同樣，當層內量子點密度從2×1010cm2增加到10×1010cm2，在8 kV∕cm和10 kV∕cm的電場強度下的光電流也分別發生了從5.39× 105A到0.60 A和從2.76×106A到0.80 A的降低。這些光電流的降低趨勢充分體現了光電流對結構參數層內量子點密度的依賴性。

圖3 量子點橫向尺寸對光電流的影響

圖3顯示了光電流對結構參數量子點的橫向尺寸的依賴性。當量子點的橫向尺寸從20 nm增加到40 nm時，對應著5 kV∕cm、8 kV∕cm、10 kV∕cm電場下的光電流分別發生了從0.77 A到0.11 A、從1.29 A到0.15 A、從1.85 A到0.19 A的降低。這種光電流隨量子點橫向尺寸的增加而降低的趨勢和前面給出的量子點層內密度對光電流的影響一起為探測器的性能優化提供了理論依據和參考方法。在外加偏置電壓確定的情況下，量子層內密度越小，量子點橫向尺寸越小，探測器的光電流也就越大，探測器的性能也越好。

3 結論

本文給出了一個量子點紅外探測器光電流的計算方法，通過考慮光電流增益和量子效率對電場強度的依賴性，實現了光電流的估算和表征，并進一步研究了探測器結構參數（層內量子點密度和量子點橫向尺寸）對探測器光電流的影響。結果顯示，在確定的電場強度下，只有當層內量子點密度和量子點橫向尺寸的取值比較小時，探測器才有好的性能，獲得一個高的光電流。

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Performance Optimization of Quantum Dot Infrared Photodetectors

LIU Hong-mei1,2,DONG Li-juan1,2,SHI Yun-long1,2
(1.Institute of Solid State Physics,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009；2.Shanxi Higher Education Key Laboratory of New Microstructure Function Materials（Shanxi Datong University）, Datong Shanxi,037009)

Quantum dot infrared photodetector is a novel lower-dimensional nano-structure detectors appearing in recent years, and it attracts a wide attentions due to its superior properties.In this paper,the method used to estimation of the photocurrent in the quantum dot infrared photodetectors is given,moreover,the influences of the structure on the photocurrent are also discussed based on this method.The results show that the detector can obtain a high photocurrent when the structure parameters such as the quantum dots density in a layer and the lateral size of the quantum dot are small in the values.

quantum dot infrared photodetector;photocurrent;performance optimization

TP311

A

1674-0874(2014)04-0014-03

2014-06-12

國家自然科學基金項目[61307121];山西大同大學博士科研啟動基金資助項目[2012-B-04]

劉紅梅(1980-)，女，山西山陰人，博士，講師，研究方向:主要從事光電探測器方面的研究。

〔責任編輯 高彩云〕