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基于温度变化的量子阱红外探测器研究

发布时间：2023-03-13 16:47:06 来源：文档文库

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第２８卷第２期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．２　文章编号：１００７—１１８０（２０１１）０２—００１７—０３　基于温度变化的量子阱红外探测器研究　王忠斌，温廷敦，许丽萍，张家鑫　（中北大学物理系，山西　太原０３００５）　摘　要：量子阱红外探测器受到温度、压强等多种因素的影响，本文主要从温度方面进行了研究。在文献　『２１的基础上，进一步推导了超晶格中热应变与温度的关系；结合量子阱红外探测器的能级公式以及波长与　能级差的关系式．定量地分析了温度变化对量子阱红外探测器探测峰值波长的影响。　关键词：量子阱红外探测器：超晶格；热应变　中图分类号：ＴＮ２１５　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３７８８／０ＭＥＩ　２０１　１２８０２．００１７　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｈａｎｇｅ　ＷＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ－ｂｉｎ，ＷＥＮ　Ｔｉｎｇ—ｄｕｎ，ＸＵ　Ｌｉ—ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａ—ｘｉｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，Ｎｏｒｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆ　ｏＣｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００５１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗａｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄ　ｂｙ　ｍａｎｙ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｋｅｓ　ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍａｉｎｌｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ［２］，ｗｅ　ｄｅ－　ｒｉｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒａｉｎ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ．Ｔｈｅｎ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｅｖｅｌ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎａｌ　ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｌｅｖｅｌ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ，ｗｅ　ｄｏ　ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｄｅｔｅｃｔ　ｐｅａｋ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｆｒｏｍ　ｔｅｍｐｅｒｅａｔｕｒｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ；ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｔｒａｉｎ　引　红外探测器是一种对红外辐射进行高灵敏度感　应的光电转换器件。量子阱红外探测器是利用掺杂　量子阱的导带中形成的子带能级问跃迁。并将从基　态跃迁到激发态的电子在外加偏压的作用下形成的　Ｆｅｂ２０１　１　．Ｌ　１　—————一　
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　子阱红外探测器探测峰值波长。本论文正是在这一　思想的指导下，以量子阱红外探测器为研究对象，　分析了温度变化对量子阱红外探测器探测峰值波长　的影响大小。　２超晶格中热应变与温度的关系　文献［２］给出了沿任意方向生长而成的超晶格　多量子阱材料在垂直于生长方向的平面内．纵向和　横向应变随温度的变化关系：　。　，　－１＿ｓ』（＼　１一　）』ｍ，　瑕△　（１）　＝　　．＿１－　（＼　１一　１　１／崛△７１　（２）　本文以ＧａＡＳ／Ａ１∞Ｇ　Ｓ为例，分析了平行于生长方　．　向的情况［即（２）　式］下热应变与温度变化的关系。　以下就是在文献［２］基础上进一步推得的关系式。　将平行和垂直平面下各层的晶格常数关系式　一１）　』ｃ『：＝丽ｈｖ＇Ｇｖ＇　、（３）　＝（一１）　ｃ『：＝　０（Ａｏ￣－ｉ）　（４）　联立，可得到：　‘　一　＝一　（５）　ａｇ　将（５）式与ａＸ＝ａＩＩ一　△　、△　一　联立，得到：　＝　（６）　将（３）式以及　＝　、　＝　ａｌｌ—ｌ代人（６）式，　可以得到：　ａｖ－ａ　一一一ａｖ（ｈｉＧｌ＋ｈ２Ｇ２）－（ｈｌＧ，ａｌ＋ｈ２Ｇ２ａａ）——，７、　ｏ￣Ｉ＋ａＩＩ一吼一　１Ｇｌ。ｌ＋　２Ｇ２ａｚ＋ｈ￣，Ｇ　●一　＠１Ｇｌ＋　２Ｇ２）　由（７）式可分别得到ＧａＡｓ和Ａ１∞Ｇａｎ７ＡＳ的应变关系　１　８　ｗｗｗ．ｏｍｅｉｎｆｏ．ｃｏｒｎ　Ｆｅｂ．２０１１　第２８卷第２期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．２　式为：　＝　ａｌ－　ｃ￣２　（８）　（　一０ｌ十ｌ　＝　ｏ／２－　ａｌ　（９）　ｏｌ一（　十ｌ　将式（８）、　（９）以及△７　。＿　器　代入（２）式，　可分别得到ＧａＡｓ和Ａ１　Ｇａ￣ｖＡｓ应变随温度变化的关　系式：　（　…ａｆＴａ２　＋（　蜗）ＡＴ（１０）　（　＝　ｏＪ２－ａｌ＋（　…）　由（１０）、　（１１）两式可以看出，热应变与温度变化　呈线性关系。　・　３量子阱红外探测器重的能级及温度　变化对能级的影响　根据文献［３］，假设超晶格的阱宽为。，垒厚为ｂ，　垒高为Ｕ，电子在阱中的有效质量为ｍ。，垒中为ｍ　，　则在势垒区若电子能量为：　鲁＝　（　）　３…（－２）　这些电子对势垒的透过率最大。具有能量　的　电子波不会很快指数衰减，而其行为类似平面波，　它可沿　轴传播。在势阱区对阱层透过率最小的电子　能量为：　Ｅｎ筹＝　（ｎｑ－）　２　能量为Ｅ的电子波透过阱层的几率很小，它基　本上定域在阱区。其中Ｅ。为阱中最低能级。阱中电　子遵循费米分布　，即电子占据费米能级和Ｅ　乏问各　个能级，当电子受到光激发时，即可跃迁到　形成　光电流　量子阱中的费米能级满足：　：墼　２ｍ。　（１４）　综上所述。由于量子干涉效应，在阱区存在分　离能态，它们是定域的。另外，在势垒以上也存在　一些分离的电子态。这些分离态在阱区是弱定域的。　
第２８卷第２期　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．２　当满足一定条件时。电子能够在弱定域态和强定域　态之间跃迁。这些由量子干涉效应引起的分离态为　干涉态。这些干涉态与材料的结构参数有关。因此，　分别为５．６５３　４　Ａ和５．６６２　Ａ：室温下，二者的热膨胀　系数为６．８６ｘ１０－６／％，

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