远红外电荷敏感型探测器的材料生长与器件研制

Different from visible and near-infrared wavelength region, the energy of a single photon in mid-infrared and far-infrared (wavelength λ>10μm) region is so small and the single-photon detection for λ>10μm is no longer an easy task. Hence, only semiconductor quantum devices are the mature single-photon detectors available for λ>10μm. The CSIP (charge-sensitive infrared phototransistors) detector fabricated on double quantum wells(DQW) is one such detector. According to the experimental reports, with the increase of target wavelength, the device performance of CSIP detector significantly decreases. As a result, it is difficult to get a CSIP detector with photon-response for λ>20μm. The physical mechanisms behind this dilemma are not very clear. And the core issue is to get high quality GaAs/AlGaAs wafer. This research is devoted to the growth, fabrication and measurement of GaAs/AlGaAs based far-infrared CSIP detector. We use MBE(Molecular Beam Epitaxy) to do the material growth with the fed-back from devices measurements. The emphasis will be placed on the studying of failure mechanisms in CSIP and the ways to relieve them, especially for long wavelength CSIP. At the same time, we are interested in finding a simple and reliable procedure to grow high quality epilayer. Based on these results, we will try to demonstrate the GaAs/AlGaAs CSIP detectors with response wavelength larger than 20μm.

与可见和近红外波段不同，在远红外波段(波长大于10微米)，由于单个光子的能量很小，实现单光子探测是不易的。现在仍主要利用半导体量子器件。基于双量子阱结构的电荷敏感型红外探测器CSIP就是其中的一种。实验上发现CSIP探测器性能随着响应波长变长有明显的降低。因此，在大于20微米波段，制作有光响应的CSIP探测器仍然是很难的。其背后的物理机制仍然不是很清楚，而问题的核心在于获得满足高质量的外延片。 本课题致力于GaAs/AlGaAs体系的长波长CSIP探测器的材料生长，器件制作和测量。我们将利用分子束外延开展CSIP探测器的材料生长，并根据器件的测量结果的反馈来开展研究。本课题的重点将集中于研究CSIP探测器的失效机制及其解决方法，特别是在更长波段下。并探索简单实用的外延片生长工艺。在此基础上，研制响应波长大于20微米的CSIP探测器。

虽然目前在可见及近红外波段实现单光子探测并不困难，但是在波长大于10微米的远红外波段，实现单光子探测仍然具有挑战性。这主要是由于该波段的光子能量非常小。现在只有半导体量子器件，比如量子点探测器[该探测器中，入射光激发会导致一个量子点变为电极化，然后该极化电场将被一个单电子晶体管所探测到，并转化为光响应信号]和电荷敏感型红外探测器(CSIP, charge-sensitive infrared phototransistors)等，可以实现大于10微米的单光子探测。.本课题的所要研究的是基于GaAs/AlGaAs双量子阱结构的CSIP探测器。 课题的总体框架包括外延片的分子束外延(MBE)生长，器件制作以及低温测量。主要结果如下。.(A) 发展了一套利用低温可见光LED(发光二极管)照射来调制CSIP探测器性能的方法。实验结果表明，可见光照射可以提高样品的电子迁移率，增加电子浓度，但是同时也会增加量子阱之间的漏电。因此，该方法存在一个最优的光照射剂量。.(B)我们采用扫描电阻分布显微术(Scanning Spreading Resistance Microscopy, SSRM)对外延片截面上的电阻的空间分布进行表征。由此，我们发现界面起伏也是CSIP探测器一种重要失效机制。根据这个结果，我们优化了外延片的生长工艺，采用AlGaAs/AlAs超晶格来替代之前的AlGaAs层作为缓冲层，使得样品的界面质量得到大幅改善。.(c)设计搭建了一套红外弱光光电测量系统。该系统采用了低温黑体作为光源。由于没有采用光学窗口，强的背景辐射的干扰（即300K黑体辐射）可以被完全屏蔽。因此，入射的红外光可以足够弱，达到单光子的级别。.(d)我们将量子级联(Quantum Cascade, QC)的概念引入CSIP探测器的设计中。之前，我们一直采用成份渐变的AlxGa1−xAsx作为量子阱间的势垒。而QC的方案采用的是经过能带设计的GaAs/AlGaAs多量子阱，这样就既能够实现较长的探测波长，又保持较低的量子阱间漏电。我们已经在实验上观察到量子级联CSIP对300K黑体辐射的响应，正在进一步确认其对大于20微米光是否具有单光子级别的响应。