InAs/AlSb/GaSb量子阱中的雙色光吸收

張仲義， 秦素英， 魏相飛

(皖西學院 電氣與光電工程學院， 安徽 六安 237012)

InAs/AlSb/GaSb量子阱中的雙色光吸收

張仲義， 秦素英， 魏相飛*

(皖西學院 電氣與光電工程學院， 安徽 六安 237012)

為了降低噪聲對InAs/GaSb量子阱作為雙色電探測器性能的影響，設計性能優良的光電探測器，在InAs/GaSb量子阱中加入AlSb夾層，以減少電子和空穴在界面處的復合，從而抑制由于電子和空穴復合引起的噪聲。首先應用轉移矩陣方法求解薛定諤方程得到量子阱中電子和空穴的能級和波函數，研究AlSb夾層對電子和空穴波函數的影響。應用平衡方程方法求解外加光場條件下的玻爾茲曼方程，研究所有電子和空穴躍遷通道對光吸收系數的貢獻，重點研究了AlSb夾層厚度對光吸收系數的影響。結果表明：基于InAs/GaSb的量子阱體系可以實現雙色光吸收，加入AlSb夾層可以有效抑制電子和空穴在界面處的隧穿，從而降低復合噪聲，同時AlSb夾層的加入也對吸收峰有影響。AlSb夾層的厚度達到2 nm即可有效降低電子和空穴復合噪聲，雙色光吸收峰在中遠紅外波段，為該量子阱作為性能良好的中遠紅外光電探測器提供理論支撐。

雙色光吸收; InAs/AlSb/GaSb量子阱; 平衡方程方法; 電子空穴復合噪聲

1 引 言

近年來，利用半導體材料制備的光電器件得到了廣泛的應用，例如高遷移率場效應管已廣泛應用于微波低噪聲放大、高速數字集成電路、高速靜態隨機存儲器、低溫電路、功率放大以及光電探測器等領域。紅外探測器在光通訊、醫療、環保、天文和國防等領域都有重要應用。經過幾十年的發展，紅外探測器已經從最初的單元、低響應速度的單色探測器發展到以多色、大面陣、高性能、低成本為特征的第三代紅外探測器[1-3]。使用雙色光電探測技術探測可以有效降低探測率對探測目標本身發射光譜的依賴，尤其在彈道追蹤方面有重要的應用價值。基于InAs/GaSb 的Ⅱ類量子阱和超晶格探測器由于其獨特的能帶結構以及具有響應波段可控、高溫性能好、載流子壽命長、暗電流低、可實現多色探測等優點，已成為第三代紅外探測器技術的最佳選擇。

基于InAs/GaSb的二類、斷帶半導體量子阱和超晶格結構已經在紅外探測器[4-6]等方面獲得廣泛的應用。當考慮兩個電子帶和兩個空穴帶，并且只有電子和空穴的基態被占據時，其第一激發態是空態。在這種情況下，直接光吸收可以通過將占據態上的電子或空穴激發到非占據態來實現。值得注意的是：在這樣一個空間分離的電子、空穴二元體系中，既存在由于電子和空穴在同一材料層中的子帶間躍遷，又存在由于電子和空穴的波函數在生長方向的交疊引起的電子和空穴在兩個材料層之間躍遷所引起的帶間躍遷。所以，該量子阱中的光吸收性質比傳統的半導體量子阱有更加豐富的內容。

在基于InAs/GaSb的二類、斷帶半導體量子阱中，由于電子和空穴的能帶有交疊，所以在光子的能量很小時即可以發生光吸收，這對該量子阱作為光電探測器是一種噪聲信號。噪聲直接影響著探測器的探測能力，因此消除噪聲提高光電探測器的探測率非常重要。本論文從量子阱的結構設計出發，探索消除光電探測器中噪聲的方法。

2 理論模型及方法

2.1 轉移矩陣方法求解薛定諤方程

在基于InAs/GaSb的二類、斷帶半導體量子阱材料上加上沿著生長方向線性極化的光場時，既存在電子-光子相互作用，又存在空穴-光子相互作用。我們采用半經典理論來研究載流子與光子的相互作用。在線性極化場的作用下系統的哈密頓量可以寫成：

(1)

轉移矩陣方法最早由Walpita 于1985年用于計算平板波導的傳播特征[7]。這個方法是2×2矩陣的直接乘積，不需要求解超越方程或微分方程。1988年，Ghatak等將其應用到量子阱結構中求解薛定諤方程[8-9]，該方法得到的數值結果與緊束縛方法[10-11]和k·p[12-13]數值計算結果一致，且具有處理簡單、計算快速和準確等優點。

任意形式一維限制勢V(x)下的薛定諤方程為：

(2)

其中E是載流子的能量本征值，ψ(x)為載流子的波函數。將勢能區取N個節點，每一段上的波函數可以寫作：

ψ(x)=Ajepj(xj)+Bje-pj(xj)，

(3)

利用波函數和粒子流的連續性條件：

(4)

得到：

(5)

應用該連續性條件得：

(6)

在量子阱的邊界處要求波函數為0，因此載流子的能量本征值由a22=0得到[8-9]。

2.2 平衡方程方法計算光吸收系數

對于電子(i=e)和空穴(i=h)與光場的相互作用，玻爾茲曼方程可以寫作：

(7)

(8)

(9)

(10)

在穩態情況下，用費米狄拉克分布函數代替與時間有關的動量分布函數作為電子和空穴的分布函數，即

(11)

其中EF是體系的費米能級，kB是玻爾茲曼常數。則由于電子和空穴吸收光子所引起的吸收系數為：

(12)

考慮到在基于InAs/GaSb的二類、斷帶半導體量子阱中既存在電子和空穴在同一層內的帶內躍遷，又存在電子和空穴在不同的材料層中的帶間躍遷，所以吸收系數有兩種形式，對于同一材料的帶內躍遷：

(13)

對于電子和空穴在不同材料層中的帶間躍遷：

(14)

αeh為從電子層躍遷到空穴層躍遷的光吸收系數。從空穴層向電子層躍遷的光吸收系數為：

(15)

3 數值結果與討論

本文研究一個典型的二類半導體量子阱結構，取量子阱中InAs層的厚度為LInAs=15 nm，GaSb層的厚度為LGaSb=5 nm，改變AlSb夾層的厚度。研究AlSb夾層對光吸收性質的影響，尤其是對由于電子和空穴之間的帶間躍遷的影響，探索減小噪聲的途徑。

運用轉移矩陣方法求解沿量子阱生長方向的薛定諤方程求得載流子的子帶能級和沿z方向的波函數。圖1給出了不同AlSb夾層厚度下的電子和空穴的波函數。圖1(a)是LAlSb=2 nm電子和空穴的基態和第一激發態波函數， 圖1(b)給出了LAlSb=0 nm、LAlSb=0.5 nm和LAlSb=2 nm時電子和空穴的基態波函數。從圖1(a)可以清晰地看到：當LAlSb=2 nm時，波函數在界面處的交疊變得很小，所以我們可以通過加入AlSb夾層有效地控制電子和空穴在界面處的復合。從圖1(b)可以看到：增加AlSb夾層的厚度，電子和空穴分布在空間上離得更遠，因此電子和空穴之間的復合以及相互作用可以通過AlSb夾層厚度有效調制。值得注意的是：加入AlSb夾層后，電子和空穴的分布都會受到影響。由于我們在計算過程中坐標的原點選在左側AlSb和InAs的交界處，即電子層的厚度為一定值，所以從波函數的分布圖上看電子的波函數幾乎沒有變化。隨著AlSb夾層厚度的增加，空穴波函數向右移動，這主要是增加AlSb夾層的厚度使空穴所在位置向右移動的結果，因此不能簡單地說AlSb夾層的加入對空穴波函數的影響大而對電子波函數的影響小。

圖1 電子和空穴在z方向的概率密度。(a)LAlSb=2 nm時的電子和空穴基態和第一激發態的概率密度。(b)不同AlSb厚度下的電子和空穴基態概率密度。

Fig.1 Square of wavefunctions for electron and hole alongz-axis. (a) Square of wavefunctions for electron and hole at the ground and first excited states. (b) Square of wavefunctions for electron and hole at different widths of AlSb layer.

圖2 不同AlSb厚度下電子和空穴帶間躍遷的光吸收系數

Fig.2 Intersubband optical absorption coefficients at different widths of AlSb layer

圖3給出了不同AlSb夾層厚度下的光吸收。圖中有兩個吸收峰，分別是由電子-電子和空穴-空穴的帶內躍遷引起的。AlSb夾層的加入不僅能夠有效阻止電子-空穴在界面處的躍遷，對電子-電子和空穴-空穴帶內躍遷也有重要影響。由于AlSb夾層的加入，電子受到的束縛更強，量子阱更加局域，所以其能級會減小。而由于AlSb的價帶能量比較低，所以AlSb的加入使得GaSb層中空穴所在的量子阱更加擴展，相應的空穴能級升高。因此加入AlSb夾層后，光吸收系數會發生紅移。由于電子的有效質量更小，電子子帶能級受AlSb夾層的影響更大，因此由于電子-電子帶內躍遷引起的光吸收峰紅移更加明顯。隨著AlSb夾層厚度的增加(AlSb夾層厚度增加到2 nm以后)，電子和空穴在界面處的隧穿效應達到穩定值，受到的限制勢也不再發生變化，紅移現象逐漸消失。這為設計更加穩定的InAs/AlSb/GaSb量子阱光電探測器提供了方便。需要指出的是:在本文的研究過程中,我們忽略了電子和空穴的耦合效應[12]。理論和實驗都表明，電子和空穴的耦合來源于電子和空穴之間的庫侖相互作用[16-18]，而AlSb層的加入將極大地減弱電子和空穴在界面處的耦合。

圖3 不同AlSb厚度下電子和空穴的光吸收系數

Fig.3 Intrasubband optical absorption coefficients for electron and hole at different widths of AlSb layer

4 結 論

本文利用轉移矩陣方法求解薛定諤方程得到了InAs/AlSb/GaSb量子阱中電子和空穴的子帶能級以及沿著樣品生長方向的波函數，用平衡方程方法求解半經典的玻爾茲曼方程方法研究了量子阱中電子和空穴與光子的相互作用，得到了當量子阱厚度為LInAs=15 nm和LGaSb=5 nm時的光吸收系數。重點研究了AlSb夾層對電子和空穴之間帶間光躍遷的影響。在InAs/AlSb/GaSb量子阱中觀察到兩個分別由電子-電子帶內躍遷和空穴-空穴帶內躍遷引起的雙色光吸收峰，吸收峰對應的光子頻率落在中紅外區，所以基于InAs/AlSb/GaSb的量子阱系統可以用作雙色光電探測器。當AlSb夾層的厚度大于2 nm時，雙色峰位置穩定，而且電子和空穴復合噪聲可以極大地減少。

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張仲義(1972-)，男，山東萊蕪人，碩士，講師，2009年于江蘇大學獲得碩士學位，主要從事半導體光電性質和檢測方面的研究。

E-mail: 65736496@qq.com

魏相飛(1980-)，男，山東泰安人，博士，副教授，2008年于中國科學院合肥物質科學研究院獲得博士學位，主要從事低維半導體材料光電和輸運性質的研究。

Email： flyxfwei@sina.com

Two Color Optical Absorption in InAs/AlSb/GaSb Quantum Well System

ZHANG Zhong-yi, QIN Su-ying, WEI Xiang-fei*

(College of Electrical and Photoelectronic Engineering, West Anhui University, Liuan 237012, China)

In order to suppress the noise and improve the performance of the detector, AlSb caplayer was inserted between InAs layer and GaSb layer. The transfer matrix method was employed to solve the Schr?dinger equation to get the wavefunctions and subband energies for electron and hole. The optical absorption coefficients were obtained by solving the Boltzmann equation with the balance equation method. The effects of AlSb caplayer on the intersubband optical transition were investigated in detail. The noise induced by the electron-hole combination can be suppressed efficiently when the width of AlSb caplayer reaches up to 1 nm. Two peaks of the optical absorption are observed at the mid-and-far infrared bandwidth indicating that InAs/AlSb/GaSb based type Ⅱquantum well system can be used as mid-and-far infrared photoelectric detector.

two color optical absorption; InAs/AlSb/GaSb quantum well; balance equation method; electron-hole combination noise

1000-7032(2017)07-0930-06

2016-12-05；

2017-02-08

安徽省自然科學基金青年項目(1408085QA13)； 安徽省教育廳重點項目(KJ2017A406,KJ2017A401)； 皖西學院產學研項目資助 Supported by Natural Science Foundation of Anhui Province (1408085QA13); Key Projects of Anhui Provincial Department of Education (KJ2017A406,KJ2017A401); Program of West Anhui University

TP394.1； TH691.9

A

10.3788/fgxb20173807.0930

*Corresponding Author, E-mail: flyxfwei@sina.com