量子阱红外探测器探测波长与掺杂关系研究
6.4.3 量子阱红外探测器
6.4 红外焦平面探测器红外焦平面探测器◆焦平面的概念与基本结构◆肖特基势垒探测器◆量子阱与量子点探测器◆倒装互连技术6.4 红外焦平面探测器6.4.3 量子阱与量子点探测器量子阱与量子点探测器量子阱探测器量子阱红外探测器❖量子阱红外探测器(QWIP)是随着分子束外延技术及量子阱超晶格材料的发展，利用GaAs/GaAlAs量子阱子带间红外光电效应制备的高灵敏红外探测器；它具有InSb、HgCdTe同样的性能，可实现大面积、均匀性高，且与目前的GaAs工艺兼容；❖通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，可方便地获得6～20μm光谱范围的响应，通过在GaAs势阱层内增加InGaAs材料，短波长可扩展到3μm。
通过改善量子阱能带参量可以实现光谱响应大范围调节，在2~20μm 的范围内均可工作；有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）量子阱红外探测器❖当器件正偏时，电压增大，光电信号减少；零偏时，光电信号较大；反偏时，电压增大，光电信号增大量很少，达到饱和。
故量子阱探测器具有明显的整流特性；❖能带与掺杂分布的不对称性，使得整个N型区有类似于P-N结的特性，故具有向长波延伸的条件。
❖从1987年贝尔实验室研制出第一个GaAlAs/GaAs量子阱红外探测器以来，该技术得到了迅速发展，成为三十多年来红外探测器领域研究的新热点。
❖下图为GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器子带吸收的能带示意图，量子阱导带内基态电子(或空穴)在红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下做定向运动，形成与入射光强成正比的光电流。
量子阱的基本结构❖Levine等人利用该原理试制出了最初的量子阱红外探测器。
该量子阱红外探测器是采用分子束外延法交替生长GaAs阱和AlGaAs势垒50个周期构成的超晶格结构。
量子阱红外探测器量子阱探测器的基本工作模型量子阱红外探测器工作的基本模型❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－自由态跃迁：当势阱宽度进一步减小时，子能级的束缚态会在势阱中上升，形成高于势垒的自由态(或连续态)（光谱响应较宽），在红外辐射作用下，使电子直接从势阱进入自由态，在较小外加偏压作用下形成光电流；❖多量子阱跃迁：由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构（A/B/A/B…），两种跃迁方式均存在的多个量子阱探测器模型。
量子阱-发光二极管红外上转换探测器工作机理
量子阱-发光二极管红外上转换探测器工作机理随着科学技术的不断发展，红外探测技术在军事、安全、医学、环保等领域的应用越来越广泛。
而量子阱-发光二极管红外上转换探测器作为一种重要的红外探测器，在红外热像仪、红外传感器、红外夜视仪等系统中扮演着重要的角色。
本文将从以下几个方面来详细介绍量子阱-发光二极管红外上转换探测器的工作机理：一、量子阱-发光二极管的基本结构和原理量子阱-发光二极管是一种特殊结构的半导体器件，它通常由多个由半导体材料组成的量子阱层、势阱层和P-N结构层组成。
当外加正向电压时，电子和空穴在P-N结处复合，释放出能量，从而产生光子。
而在量子阱层和势阱层之间的能带间隙调制可以使得器件在特定波段产生特定波长的光，因此量子阱-发光二极管可通过精确控制层厚度和材料组成来定制产生不同波长的光子，从可见光到红外光都能覆盖。
这也为红外上转换探测器提供了制备红外探测器的选择余地。
二、红外上转换技术原理红外上转换技术是指将较低能量的红外光转换为可见光或紫外光的一种技术。
在量子阱-发光二极管红外上转换探测器中，当被探测到的红外光照射到器件表面时，红外光子激发了器件内的电子，使得电子跃迁至价带和导带之间的激发态，然后激发态的电子再与空穴再结合，发射出可见光或紫外光。
通过检测被转换后的可见光或紫外光信号，即可实现对红外光的探测。
三、量子阱-发光二极管红外上转换探测器的工作机理量子阱-发光二极管红外上转换探测器在工作时，首先需要将外界的红外辐射引入到器件内部，这通常通过反射镜或透镜等光学元件来实现。
红外光子激发了器件内的电子后，电子会在耦合区域内跃迁至势阱层激发态，然后通过与空穴再结合释放出可见光或紫外光。
这些可见光或紫外光信号被探测器接收并转换成电信号，进而被放大和处理，最终形成红外图像或红外信号输出。
通过这样的工作机理，量子阱-发光二极管红外上转换探测器可以实现对红外光的高灵敏度探测和转换。
而且由于器件本身的量子结构和电子激发跃迁过程，使得量子阱-发光二极管红外上转换探测器具有高灵敏度、高速响应和大动态范围等特点。
基于温度变化的量子阱红外探测器研究
式为 ：
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第２卷 ８
第２ 期
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ２ １ ２ ．
光 电流来 实现对 红外线 的探测 。根据介观压 阻效应【 １ ＿ 可知 。超 晶格 多量子 阱在 受到 应力 时会 发生应 变 ， 应变将导致 势垒宽度 、势阱宽度 的改变 ，进而改变 势阱 中的能级分布。类 似于介 观压阻这一研究过程 ， 当温度发生 改变时 ，超 晶格多量 子 阱材料 也会产 生 应变 ，从 而改变势 阱中的能级分 布 ．最终 影响 了量
ａ ｄ Ｓ ｏ ． ｈｓｐ ｐｒｍ ｋ ｓａｓ ｄ ｎ ｔｅｉ ｌｅ ｃ ｆ ｅ ｐｒｔｒ ｍ ｉｌ．Ｂ ｓｄｏ ｈ ａ ｅ ［］ ｗ ｅ ｎ Ｏ ｎ Ｔ ｉ ａ ｅ ａ ｅ ｔ ｙｏ ｈ ｎ ｕ ｎｅｏ ｍ ｅａ ｅ ａｎ ｕ ｆ ｔ ｕ ｙ ａｅ ｎｔｅｐ ｐｒ ２， ｅｄ －
ｒ ｅ ｔ ｅ ｒ ａ ｉ ｏ ｓ ｉ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｔｅ ｍａ ｓｒｉ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｉ ｕ ｅ ｌｔ ｃ ．Ｔ ｅ ｏ ｉ ｉ ｇ ｅ ｅｇ ｅ ｅ ｉ ｈ ｅ ｌ ｉｎ ｈ ｐ ｂ ｔ ｅ ｈ ｈ ｒ ｌ ｔ ｎ ａ ｄ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｓ ｐ ｒ ｔ ｅ ｈ ｎ ｃ ｍｂ ｎｎ ｎ ｒ ｙ ｌｖ ｌ ｖ ｔ ａ ａｉ ｆ ｒ ｌ ｆ ｑ ａ ｔ ｍ ｌ ｉｆａ ｅ ｈ ｔ － ｅｅ ｔｒ ｗ ｔ ｈ ｅａｉｎ ｌ ｅ ｐ ｅ ｓ ｎ ｏ ｖ ｌｎ ｔ ｎ ｎ ｒ ｅ ｅ ｏ ｍｕ ａ ｏ ｕ ｎ ｕ ｗｅｌ ｎｒ ｒ ｄ ｐ ｏ ｏ ｄ ｔｃ ｏ ｉ ｔ ｅ ｒ ｌｔ ａ ｘ ｒ ｓｉ ｆ ｗａ ｅｅ ｇｈ ａ ｄ ｅ ｅ ｇ ｌｖ ｌ ｈ ｏ ｏ ｙ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｅ ｄ ｕ ｎ ｉ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ａ ｏ ｔ ｔｅ ｉ ｆ ｅ ｃ ｎ ｄ ｔｃ ｅ ｋ ｗ ｖ ｌ ｎ ｔ ｆ ｑ ａ ｔｍ ｌ ｉｆ ｒ ｄ ｉ ｅ ｅ ｃ ，ｗ ｏ ｑ ａ ｔ ａ ｉ ｎ ｌｓｓ ｂ ｕ ｈ ｎ ｌ ｎ ｅ ｏ ｅｅ ｔ ｐ ａ ａ ｅｅ ｇｈ ｏ ｕ ｎｕ ｗｅｌ ｎ ｒ ｅ ｆ ｔ ｖ ｕ ａ ｐ ｏ ｏ ｄ ｔｃ ｏ ｒ ｍ ｅ ｅ ｅ ｔ ｒ ． ｈ ｔ － ｅｅ ｔｒ ｆ ｏ ｔｍｐ ｒ ａｕ ｅ
6.4.3 量子阱红外探测器
6.4 红外焦平面探测器红外焦平面探测器◆焦平面的概念与基本结构◆肖特基势垒探测器◆量子阱与量子点探测器◆倒装互连技术6.4 红外焦平面探测器6.4.3 量子阱与量子点探测器量子阱与量子点探测器量子阱探测器量子阱红外探测器❖量子阱红外探测器(QWIP)是随着分子束外延技术及量子阱超晶格材料的发展，利用GaAs/GaAlAs量子阱子带间红外光电效应制备的高灵敏红外探测器；它具有InSb、HgCdTe同样的性能，可实现大面积、均匀性高，且与目前的GaAs工艺兼容；❖通过改变量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，可方便地获得6～20μm光谱范围的响应，通过在GaAs势阱层内增加InGaAs材料，短波长可扩展到3μm。
通过改善量子阱能带参量可以实现光谱响应大范围调节，在2~20μm 的范围内均可工作；有缘学习更多＋谓ｙｇｄ３０７６考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺）量子阱红外探测器❖当器件正偏时，电压增大，光电信号减少；零偏时，光电信号较大；反偏时，电压增大，光电信号增大量很少，达到饱和。
故量子阱探测器具有明显的整流特性；❖能带与掺杂分布的不对称性，使得整个N型区有类似于P-N结的特性，故具有向长波延伸的条件。
❖从1987年贝尔实验室研制出第一个GaAlAs/GaAs量子阱红外探测器以来，该技术得到了迅速发展，成为三十多年来红外探测器领域研究的新热点。
❖下图为GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器子带吸收的能带示意图，量子阱导带内基态电子(或空穴)在红外辐射作用下，向高能带跃迁，并在外电场作用下做定向运动，形成与入射光强成正比的光电流。
量子阱的基本结构❖Levine等人利用该原理试制出了最初的量子阱红外探测器。
该量子阱红外探测器是采用分子束外延法交替生长GaAs阱和AlGaAs势垒50个周期构成的超晶格结构。
量子阱红外探测器量子阱探测器的基本工作模型量子阱红外探测器工作的基本模型❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－束缚态跃迁：量子阱中的两个子能带均为束缚态，在红外辐射的作用下，电子从基态被激发到第一激发态（光谱响应窄），处于受激态的电子在外加较大偏压电场的作用下，穿过薄势垒顶部产生隧道贯穿，并以热电子形式输运，形成光电流；❖束缚态－自由态跃迁：当势阱宽度进一步减小时，子能级的束缚态会在势阱中上升，形成高于势垒的自由态(或连续态)（光谱响应较宽），在红外辐射作用下，使电子直接从势阱进入自由态，在较小外加偏压作用下形成光电流；❖多量子阱跃迁：由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构（A/B/A/B…），两种跃迁方式均存在的多个量子阱探测器模型。
《2024年势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)》范文
《势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)》篇一势垒型InAs-InAsSbⅡ类超晶格红外探测器研究进展(特邀)势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器研究进展（特邀）一、引言随着红外技术的飞速发展，红外探测器作为其核心技术之一，在军事、安防、遥感等领域的应用日益广泛。
势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器因其独特的物理特性和优异的光电性能，成为当前红外探测器领域的研究热点。
本文将就势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器的研究进展进行详细介绍。
二、InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格基本原理与特性InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格是一种由两种不同组分的半导体材料交替生长而成的超晶格结构。
其独特的电子能带结构和势垒效应使得该结构在红外探测领域具有显著优势。
InAs和InAsSb因其相近的晶格常数和良好的相容性，成为制备势垒型超晶格的理想材料。
三、势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器的研究进展1. 材料制备与生长技术在材料制备方面，研究人员通过分子束外延、金属有机化学气相沉积等先进技术，成功制备出高质量的InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格材料。
这些技术能够精确控制超晶格的周期、厚度和组分，为制备高性能红外探测器提供了良好的材料基础。
2. 器件结构与性能优化在器件结构方面，研究人员通过引入量子阱、势垒层等结构，有效提高了探测器的光响应性能和响应速度。
同时，针对红外探测器的响应波段、探测率、暗电流等关键性能指标，进行了大量优化研究。
3. 实验研究与性能分析实验研究表明，势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器具有较高的量子效率、低噪声、快速响应等优点。
通过分析器件的能带结构、载流子输运机制等物理过程，为进一步优化器件性能提供了理论依据。
四、研究现状及未来发展趋势目前，势垒型InAs/InAsSb Ⅱ类超晶格红外探测器已取得了一系列重要研究成果，为红外探测技术的发展提供了新的途径。
量子阱红外探测器调研报告
量子阱红外探测器调研报告一、引言红外探测器在军事、民用等众多领域都有着广泛的应用，而量子阱红外探测器作为一种新型的红外探测器，因其独特的性能和优势，近年来受到了越来越多的关注。
二、量子阱红外探测器的工作原理量子阱红外探测器是基于量子阱结构的光电转换器件。
量子阱是一种在半导体材料中通过控制材料的生长和掺杂形成的特殊结构，其能态是量子化的。
当红外光照射到量子阱红外探测器上时，光子的能量被吸收，使得量子阱中的电子从基态跃迁到激发态。
通过外加电场，这些被激发的电子形成电流，从而实现对红外光的探测。
三、量子阱红外探测器的特点1、高灵敏度由于量子阱结构的特殊性质，使得量子阱红外探测器对红外辐射的吸收效率较高，从而具有较高的灵敏度。
2、宽光谱响应可以通过调整量子阱的结构和参数，实现对不同波长红外光的响应，具有较宽的光谱响应范围。
3、高速响应其响应速度较快，能够快速检测到红外信号的变化。
4、低功耗在工作时功耗相对较低，有利于设备的长时间运行和节能。
5、可集成性好可以与其他半导体器件集成在同一芯片上，便于实现系统的小型化和多功能化。
四、量子阱红外探测器的应用领域1、军事领域在军事侦察、导弹预警、目标跟踪等方面发挥着重要作用。
能够在夜间和恶劣天气条件下，探测到敌方的军事目标和活动。
2、航空航天用于卫星遥感、航天器的热控和姿态控制等。
3、安防监控在安防监控系统中，对人员和物体的监测和识别。
4、工业检测检测工业设备的温度分布、故障诊断等。
5、医疗领域例如在医学成像、疾病诊断等方面具有潜在的应用价值。
五、量子阱红外探测器的发展现状目前，量子阱红外探测器的研究和开发取得了显著的进展。
在材料生长、器件结构设计和制备工艺等方面不断创新和优化。
国际上，一些发达国家在量子阱红外探测器的研究方面处于领先地位，已经推出了一系列高性能的产品。
我国在这一领域也取得了一定的成果，但与国际先进水平相比，仍存在一定的差距。
六、量子阱红外探测器面临的挑战1、材料生长的质量控制高质量的半导体材料生长是制备高性能量子阱红外探测器的关键，但在实际生长过程中，要实现材料的均匀性和一致性仍然存在一定的难度。
基于带隙影响的量子阱红外探测器带宽的研究
图１ 为超晶格的势分布 图， ， ， 口 ｂ Ｕ分别代表 阱
宽、 垒宽 和垒 高 ， 电子在 阱 中的有效 质 量为 ｍ ， 中 垒
吸收红外辐射能量跃迁到高能态 ， 并在外 电场作用
下输运 ， 形成与入射光成正 比的光电流 ， 从而实现对
红外辐射的探测。也就是说 ， 通过光电流的变化可 实现 对 红 外 光 辐 射 的 探 测。本 论 文 以 Ｇ Ａ／ ａｓ Ａ ａ Ａ 量子阱红外探测器为研究对象 ， ｌ ｓ Ｇ 从温度 对 Ｇ Ａ 和 ＡＧ Ａ 两种材料带隙的影响出发 ， ａｓ Ｉａ ｓ 进而 分析了三种跃迁下 吸收波长与温度 的关系， 最终得
Ａ ｓ ａｔＱ ａｔｍ ｗ ｌｉ ｒｒｄｐ ｏ －ｅｅｔ （ ｗＩ ）ｓｉｆ ｅｃｄｂ ａｙｆ ｔ ｓｓｃ ｓ ｒｓ ｒ，ｏｉｇｃｎ ｂ ｔ ｃ ： ｕｎｕ ｅ ｆ ｅ ｈｔ ｄｔｃ ｒＱ Ｐ ｉ ｎ ｕｎｅ ｙｍ ｎ ｃ ｒ ｕ ｈａ ｐｅｓ ｅ ｄｐｎ ｏ－ ｒ ｌｎ ａ ｏ ｏ ｌ ａｏ ｕ
激 光 与红 外
Ｎ ．２ ２１ ｏ１ ０１
王忠斌等
基于带隙影响 的量子 阱红外探测器带宽 的研究
ｌ２ ＿ ４Ｔ ＋５ ． ５１ ８Ｔ＋６ ４ ３ ９３
百
１ ３ ３９
４ 吸收 波长 随温 度变化 计算 结果
量子阱红外探测器的探测峰值波长 Ａ 是 由下 。
式表 示 的 ｊ ： Ａ ｈ／ Ｅ ＝ ｃ Ａ （３ １）
量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究
量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究量子点红外探测器暗电流及噪声特性研究引言量子点红外探测器（Quantum Dot Infrared Photodetector，QDIP）近年来在红外检测领域展示出了巨大的潜力，已被广泛应用于安全检测、半导体材料学以及生物医学领域。
QDIP具有高灵敏度、快速响应和宽波段等优势，因此对其性能参数进行深入研究具有重要意义。
本文将重点探讨QDIP的暗电流及噪声特性研究，分析其对红外探测器性能的影响。
一、暗电流特性研究暗电流是指在没有光照射的情况下，探测器本身产生的电流。
在红外探测器中，暗电流来源较多，如载流子之间的复合、杂质电离以及边缘漏电等。
暗电流对红外探测器性能的影响主要体现在信噪比以及探测灵敏度上。
1. 暗电流对信噪比的影响暗电流的存在会导致探测器底噪电流的增加，进而降低信噪比。
信噪比是评估探测器性能好坏的重要指标，对于红外成像和红外光谱分析等应用具有重要意义。
通过研究不同条件下的暗电流特性，可以优化探测器材料与结构，减小暗电流的产生，从而提高探测器的信噪比。
2. 暗电流对探测灵敏度的影响探测灵敏度是指探测器单位输入能量变化时的响应能力。
暗电流会增加背景信号的噪声，降低探测灵敏度。
针对暗电流这一问题，可通过控制材料的制备工艺、优化结构设计等手段，降低暗电流的产生，并提高探测器的灵敏度。
二、噪声特性研究噪声是指电子系统中各种电子态的随机变动所引起的信号干扰。
影响QDIP性能的噪声主要有热噪声、暗电流噪声和灯光电流噪声等。
1. 热噪声热噪声是指由于电子的热激发和热传导引起的随机电流波动。
热噪声源自于电子系统内各种电子态的随机运动。
通过降低探测器的工作温度或优化材料制备工艺，可以有效减小热噪声对QDIP的影响。
2. 暗电流噪声暗电流的存在会增加背景信号的噪声，从而降低探测器的信噪比。
减小暗电流噪声的方法主要包括提高探测器的材料质量、优化结构设计以及制备过程中的控制。
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量子阱红外探测器探测波长与掺杂关系研究王文鑫;贾华宇;李灯熬;吕玉祥;罗飚;刘应军【摘要】文章利用理论模型研究了GaAs/Alx Ga1-x As量子阱红外探测器(QWIP)中掺杂参数对探测器探测波长的影响,并借助2×2哈密顿方法计算了此模型的特征能态.通过将模拟结果与现有实验数据进行对比、分析可知,当掺杂浓度增加时,峰值归一化吸收率、吸收系数和响应度等呈非线性增大.同时还发现,在Alx Ga1-x As势垒中,Al的摩尔分数(x)增加时,子带间吸收能力增强,但吸收的峰值波长会向较短的波长方向移动,进而判定掺杂浓度是高性能QWIP设计的重要参数之一.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】5页(P39-43)【关键词】量子阱红外探测器;哈密顿方法;摩尔分数;掺杂浓度【作者】王文鑫;贾华宇;李灯熬;吕玉祥;罗飚;刘应军【作者单位】太原理工大学物理与光电工程学院,山西晋中 030600;太原理工大学信息工程学院,山西晋中 030600;太原理工大学信息工程学院,山西晋中 030600;太原理工大学信息工程学院,山西晋中 030600;武汉电信器件有限公司,武汉430074;武汉电信器件有限公司,武汉 430074【正文语种】中文【中图分类】TN248.40 引言过去几十年中，对量子阱（Quantum Well，QW）中子带间吸收率和红外区域的波长检测等相关研究从未中止过，如今已取得了显著成果。
与此同时，研究人员还对基于QW结构的红外探测器（Infrared Photodetector，IP）的研制表现出极大的兴趣，目前，IP在医学、夜视摄像机、军事防御和热成像等领域已有广泛应用［1－2］。
当前，基于GaAs的量子阱红外探测器（Quantum Well Infrared Photodetector，QWIP）已成为在长波长（Long Wave，LW）红外（Infrared Radiation，IR）区域中最有希望用于IR成像的光电探测器之一。
由于其具有易于调节波长、高热稳定性和高均匀性等优点，所以往往将其视为第三代IR相机的高性能探测器。
另外，对于 GaAs／AlxGa1－xAs QWIP，可通过改变AlGaAs层中Al的组分和厚度来满足各种应用需求。
QWIP有源层的掺杂浓度和配比等对器件性能具有决定性作用［3］，QWIP的工作波长也是由有源层中的掺杂决定的，可见，选择最佳的掺杂浓度来提高器件的性能是非常关键的。
目前，已有科研小组在进行相关的研究。
Gunapala借助粒子从束缚态到连续态的跃迁机理，从实验角度证明了掺杂对QWIP性能的影响［4］。
虽然该实验已被报道，但并没有透露更多细节性的理论分析过程。
所以，需要建立一个数值精确的物理学模型来模拟和研究掺杂对器件性能的影响［5］。
考虑到掺杂对阱内电势和器件整体性能的影响，本文建立了一个 GaAs／AlxGa1－xAs多量子阱红外探测器（Multiple Quantum Well Infrared Photodetector，MQWIP）理论模型对其进行分析，并以此为基础得出一些掺杂浓度的最佳可能值，以便提高器件的性能。
该模型也适用于其他材料系统，如InGaAs／Al-GaAs、InGaAs（P）／InP和Si／SiGe［6］等。
1 理论模型图1所示为MQWIP与单QW结构示意图。
图1（a）展示了 GaAs／AlxGa1－xAs MQWIP内部结构，图中：z为探测器生长方向；x为摩尔分数；LW和LB分别为势阱和势垒层宽度；hv为以Φ角入射的入射光；M 为N-GaAs层的总数量。
在半绝缘GaAs衬底上，GaAs势阱与AlxGa1－xAs势垒交替叠加，生成多量子阱（Multiple quantam Wen，MQW）结构［7］。
另外，在0.7μm厚的GaAs 顶部接触层和0.5μm厚的GaAs底部接触层（二者均掺杂有2×1018 cm－3的Si载流子）之间夹有多个势阱和势垒。
假定光以与生长轴z成45°的夹角入射到检测器中。
图1 MQWIP与单QW结构示意图对图1（b）所示的单QW层结构侧视图进行分析，有助于确定探测器的吸收光谱，图中r为常数。
QW的电子结构可以通过求解电子波函数Ψ（z）中一维不受时间影响的薛定谔方程来获得［8］，其能量E可用如下方程求解：式中：ε为电场；q为电子电荷；V（z）为因频带偏移产生的电势；为有效电子质量；h为降低了的普朗克常数；z为生长轴。
此外，VH（z）可通过求解一维泊松方程得到：式中：N（z）为QW掺杂浓度；n（z）为电子浓度；k为GaAs材料的相对介电常数；ε0为真空介电常数。
可通过如下求解过程，得到式（1）和式（2）的自洽求解方案［9］。
首先假设Hartree电位值的一些初始值VH（z），然后应用2×2哈密顿计算方法对式（1）求解，得到能量特征值和电子波函数。
在没有电场的情况下，式（1）可改写为式中：Ar和Br均为系数；分别为3种不同情况下的波数，其中，r为如图1（b）中所示的常数，i为不同的有源层；kr、m＊re和Vr分别为r阱区内的k、m＊e和V。
在z＜0的区域内，有r＝1；在0≤z≤LW的区域内，有r＝2；在z＞LW的区域内，有r＝3。
此外，阱内的能级吸收系数可以通过使用费米谐波摄动的黄金法则［10］来确定。
束缚态到束缚态跃迁的吸收系数可表示为式中：c为光速；nr为材料的折射率；hw为入射光的能量；Γ为与吸收光谱的半高全宽相等的展宽因子；Eg与Ef分别为基态与激发态能量；N 为QW 的掺杂浓度；Ψg（z）与Ψf（z）分别为初始状态与最终状态的波函数；m＊we为阱中电子有效质量；Φ为光线的入射角。
同样地，束缚态到连续态跃迁的吸收系数可表示为式中：Efc与Ψfc（z）分别为连续态本征能量与波函数；m＊Be为有效电子质量；V0为由于偏置下能带的倾斜而引起的有效频带偏移。
又由图1可知，从束缚态到束缚态和从束缚态到连续态的吸收系数近乎相同，那么QW的速率方程又可表示为式中：nτ为QW中单位体积上捕获的电子数；τcap为电子的捕获寿命；resc为电子从阱中漏出的速率与电子逸出时间的倒数相反；rr为与τr相反的电子重组率。
对于在电场下工作的设备，其捕获时间τcap可以认为是激发载流子的寿命。
这里会提到捕获概率［11］：pc＝τtrans／（τtrans＋τcap），式中，τtrans 为载流子穿过一个QW周期所需要的时间。
此外，因为在此模型中势垒层较厚，所以载流子主要在外加电场作用下逸出QW。
在偏压（V）作用下，电子逸出率（resc）可表示为式中，resc（0）为电子在零偏压下的发射率；VS为势垒的有效下降部分。
最后，MQWIP的响应度为式中：J为MQWIP的平均光电流密度；A为器件面积；Pinc为入射光功率。
2 结果与分析借助Matlab软件仿真，得到AlGaAs和GaAs中一些重要材料参数值，如表1和表2所示。
表1 AlxGa1－xAs中x取值不同时的相关参数注：T为温度。
摩尔分数（x）有效电子质量／kg带隙宽度／eV T＝300KT＝77K 0.24 0.082 9×10－29 1.720 9 1.806 1 0.25 0.083 8×10－29 1.734 3 1.819 5 0.26 0.084 6×10－29 1.747 7 1.832 9 0.27 0.085 4×10－29 1.761 3 1.846 4 0.28 0.086 2×10－29 1.774 8 1.860 0表2 QWIP在不同温度时的参数温度／K 阱中电子有效质量／kg 带隙宽度／eV电子漂移速度／m／s 10 0.063×10－29 1.518 7 1.20×105 77 0.063×10－29 1.507 6 1.07×105 300 0.063×10－29 1.422 4 0.72×105设定AlxGa1－xAs势垒层厚度为LB＝30nm，入射光功率Pinc＝1mW，器件面积A＝200μm×200μm。
按照选择规则，当光垂直入射时，无法在N型QW结构中引起子带间跃迁，所以需要将光以与生长轴z成45°角射入，具体如图1（a）所示。
为了研究掺杂对响应度的影响，首先对吸收系数展开研究，进而确定载流子的本征能态和波函数。
由于波函数的特征形态和形状取决于Hatree电位［12］的具体位置，并且Hartree电位的形状也对电子基本能态中的波函数起着决定性作用，故可通过对式（1）和式（2）自洽求解得到波函数、能量本征态和Hartree电位等。
该解决方案需包含费米能级（EF）在不同温度和不同掺杂浓度下随载流子产生变化的情况［13］。
不同温度下费米能级随载流子浓度的变化曲线如图2所示。
图2 不同温度下费米能级和二维载流子浓度之间的关系由图可知，在较低的温度范围内，温度对费米能级造成的影响是微乎其微的［14］，即可认为温度不会对费米能级的大小造成影响，故可在任一低温条件下对费米能级的数值进行计算。
通过改变阱中的掺杂浓度，可以控制器件的本征能态、波函数以及吸收光谱。
在获得特征能态和波函数之后，可使用式（4）或（5）确定吸收系数。
不同掺杂浓度下的吸收光谱如图3所示。
对于5.2nm宽和掺杂为5×1017 cm－3的Si供体，可在波长为8.57μm处取得峰值吸收系数，这与现有的实验数据十分吻合［15］。
图3 不同掺杂浓度下归一化吸收率和波长之间的关系由图3可知，吸收峰值随掺杂浓度的降低而发生蓝移。
掺杂浓度增加会导致Hartree电位值增加，而Hartree电位的变化又会改变特征能态、波函数和归一化吸收率。
结合式（2）和（3）能发现，归一化吸收系数的峰值与掺杂浓度之间成比例地变化。
文献［4］也观察到了与此类似的变化。
此外还发现，可以通过改变AlGaAs中Al的组分来控制归一化吸收率。
在5.8nm 的 QW 中用2.2×1017 cm －3的Si作为供体进行掺杂，得到如图4所示的波长和吸收系数之间的关系，从图中可发现吸收光谱对Al的摩尔分数（x）的依赖性。
在Al的摩尔分数x增大的过程中，传导带的不连续性随之增加，束缚态和激发态也会因此位置上移，这使得短波的吸收效果表现更好，峰值也更大。
图4 在Al的摩尔分数x不同时，波长和吸收系数之间的关系在上述情况下，最高能态与顶部能态之间只需存在很小的偏差就足以产生光电流。
为了计算光电流，需要对QWIP的响应度进行进一步的计算和测定。
在T＝300K时，取电子迁移率μ＝1 000cm2 V－1s－1，发现饱和漂移速度为7.2×106 cm－1。