偵測度(Detectivity)分析

偵測度是偵測器元件好壞最具指標性的判斷標準，其物理意義是

圖

5-22

則將兩試片在同一電場下比較其偵測度的表現，從圖中可得 知在操作溫度在

110K

，

sample A

的偵測度相較於

sample B

有較好的偵測 度，而當操作在

120K

下，

sample A

的偵測度約在

2×10

⁸

cmHz

^1/2

/W

附近但卻 隨偏壓的增加而逐漸下降，反觀

sample B

的偵測度約高於

1×10

⁸

cmHz

^1/2

/W

對於偏壓的變化幾乎維持不變。比較其最高操作溫度，

sample B

的最高操 作溫度為

150K

且偵測度大小仍有

2×10

⁷

cmHz

^1/2

/W

，綜合以上可知，量子 點層數較多的元件改善了一般傳統

10

層量子點

QDIP

元件在高溫高偏壓的 表現，而最主要的原因在於

30 layers

量子點元件在高偏壓下仍有較高的活 化能所致。

5.6 元件活化能模擬分析

由於在高溫高偏壓下，

sample B

有較高的活化能，使其在高溫高偏壓 下仍有較低的暗電流，而有較佳的偵測度表現。因此對於

30

層元件在高 偏壓的情況下，因有較高的活化能導致較低暗電流的現象提出一套假設並 利用程式模擬驗證。

對於

QDIP

的暗電流主要來自兩端電極電子的注入。在無外加偏壓下，

由 於 兩 端 接 觸 電 極 (

top contact & bottom contact

) 有 大 量 矽 摻 雜 ， 約 為

2×10

¹⁸

cm

^-3，因此在熱平衡的狀態下兩端高濃度電子會逐漸往內擴散，導 致元件中間的導電帶相較兩旁來的高，因此我們以這次成長元件的條件，

成功利用程式模擬

InAs/GaAs

系統

10

層與

30

層量子點的導電帶圖。

模擬的方法^[18]則給定第一層

GaAs

能障的初始電場及底部接觸電極的 費米能階，藉由熱平衡時元件費米能階一致的關係進而獲得第一個量子點 內載子數，而後利用高斯定律獲得下一層

GaAs

能障的電場，以此法獲得全 部電場值。由於我們元件操作在零偏壓下，故最後將電場乘上距離所得到 電位值總和應為零，以此作為判斷依據。

圖

5-23

為模擬

10

層量子點元件在無外加偏壓下的導電帶圖，圖

5-24

為

30

層量子點元件在無外加偏壓下的導電帶圖，從模擬可以很明顯得到 與我們的想法一致的結果，即越往中間層的導電帶相較於兩旁來的高，這 主要乃是越往元件中間層載子的分布越少所導致，這可由模擬

10

層元件 載子分布的結果看出，如圖

5-25

所示。

然而，當外加偏壓下，此時能帶會因外加偏壓而造成彎曲，如示意圖

5-26

所示，假設左邊施加負偏壓，當載子從左邊注入時，將看到一能障並 越過此能障而貢獻成為暗電流，若能障越高，躍過此能障的載子相對較 少，暗電流也相對較小，故此能障即與活化能有相對關係。因此我們接下 來則模擬當兩元件在相同溫度與高偏壓下，

30

層元件的能障是否相對於

10

層元件來的高。

截至目前為止，由於時間的關係，我們仍然無法成功模擬在外加電場 情況下量子點元件的能帶圖，故我們利用一維束縛的量子井結構模擬三維 束縛的量子點在外加電場下的行為，圖

5-27(a)(b)

乃分別利用

SimWindows

模擬

10

層與

30

層量子井結構於相同溫度與電場下的能帶圖。比較模擬結 果，對於

30

層量子井結構，載子需越過能障相較於

10

層量子井來的高，

但不明顯，原因推測可能是利用量子井結構模擬量子點所造成的誤差，但 這對於我們初始的想法是相吻合的，即較厚的主動層在相同偏壓與溫度下 確實造成載子等效看到較高的能障，而有相對較少的載子貢獻成為暗電 流。

5.7 結論

這次研究主要對於

10

層與

30

層紅外線偵測器量子點結構特性比較與 分析。根據實驗結果顯示，

30

層量子點紅外線偵測器在高溫高偏壓下因有 相當大的活化能而有較低的暗電流，造成元件的增益隨溫度無太大變化，

使的元件在高溫高偏壓下能維持相當高的偵測度。

因此我們試著模擬活化能與暗電流的相對關係，想法主要是當載子 從電極流入時，因為外加偏壓造成能帶的彎曲而形成一能障，當載子躍過 此能障到達另一端電極則貢獻成為暗電流。對於

30

層元件，其載子等效 看到的能障相較於

10

層量子點結構在相同溫度與偏壓下要來的高，即有 較大的活化能。這結果可從我們

SimWindows

所模擬量子井結構而得到但 卻不明顯，因此未來希望能確實利用量子點來模擬並驗證我們實驗的結 果。

另外根據實驗結果所作的計算，

10

層元件的量子效率相較於

30

層元 件來的大，主要原因應是在實際上

10

層元件相較於

30

層有較高的摻雜，

因而造成

10

層元件的光響應要比

30

層來的大。

雖然 30 層

QDIP

有相對較差的光響應，但因暗電流相對而言卻非常的 低，使元件操作在高溫

140K

仍有

2×10

⁷

cmHz^

^1/2

/W

的偵測度，且隨偏壓增 加仍維持相當高的偵測度，這相對於

10

層量子點而言是其最大的優點。

综合以上結果，主動層較厚的量子點紅外線偵測器相對於傳統

10

層 量子點元件，在高溫高偏壓下能具有相當大的活化能，因此元件有較好的 表現。

圖

5-1

樣品磊晶結構圖

(sample A, 10 layers & sample B,30 layers)

(a)

(b)

(C)

圖

5-2

(a)樣品

A & (b)

樣品

B

及

(C)

樣品

B

之量子點大小

AFM

圖

1.05 1.10 1.15 1.20 1.25 1.30 1.35

sample A(10 layers) sample B(30 layers)

圖

5-3

樣品

A & B

之

PL

光譜圖

Eg=1.44eV λ=6μm

10 layers - Dark current

圖

5-6 sample A(10 layers)

之變溫暗電流

1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.50 1.55 1.60

100

intensity(a.u.)

Energy(eV) 30 layers - PLE

-3 -2 -1 0 1 2 3 30 layers - dark current

圖

5-7 sample B(30 layers)

之變溫暗電流

-3 -2 -1 0 1 2 3

圖

5-10 sample A(10 layers)

與

sample B(30 layers)

之變溫暗電流比較

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

sample A(10 layers) sample B(30 layers)

圖

5-11 sample A

與

sample B

之活化能(

activation energy

)比較

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 30 layers -Responsivity

圖

5-14

樣品

B

(

30 layers

)之光響應

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

electric field(kv/cm)

30 layers -77K

圖

5-15 sample A(10 layers)& sample B(30 layers)

之光響應

(responsivity)

比較

-20 -10 0 10 20

圖

5-16 sample A(10 layers)

與

sample B(10 layers)

之光導增益比較

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

10 layers-100K 10 layers-110K 10 layers-120K 30 layers-100K 30 layers-110K 30 layers-120K

圖

5-19 sample A(10 layers)

與

sample B(30 layers)

之量子效率差異

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5

-3 -2 -1 0 1 2 3

10 layers-110K 30 layers-110K 10 layers-120K 30 layers-120K 10 layers-130K 30 layers-130K 30 layers-140K 30 layers-130K

Electric Field(kv/cm)

圖

5-22 sample A(10 layers)

與

sample B(30 layers)

之變溫偵測度比較

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 -200

-100 0 100 200 300 400

圖

5-23

無外加偏壓下，模擬

10

層量子點

QDIP

能帶結構圖

圖

5-24

無外加偏壓下，模擬

30

層量子點

QDIP

載子分布圖 10 layers Ec

energy(meV)

distance(nm)

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 -200

-100 0 100 200 300 400

energy(mev)

distance(nm)

Ec

30 layers

圖

5-25

無外加偏壓下，模擬

10

層量子點

QDIP

載子分布圖

圖

5-26

當外加偏壓下，

QDIP

結構的

band diagram

示意圖，其中

Ea

為活化能

(Activation energy

)且大小將與電流密度

J

有絕大關係。

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0

2 4 6 8 10 14

12

density(cm^-)

distance(nm)

10 layers QD carrier density x10^10

2

(a)

(b)

圖

5-27

模擬

(a)10

層與

(b)30

層量子井結構於相同電場下，溫度 100K之能帶圖

參考文獻(Reference)

[1] J. Phillips, Pallab Bhattacharya, S. W. Kennerly, D. W. Beekman, and M. Dutta, “Self-Assembled InAs-GaAs Quantum-Dot Intersubband Detectors,” IEEE J Quantum Electronics, vol. 35, pp. 936-943, 1999.

[2] John E. Hubbs, Doudlas C. Arrington, Mark E. Gramer, Gary A. Dole”Nonlinear response of quantum well infrared photodetectos under background and low-temperature conditions”, Opt.Eng, vol. 39, pp.2660-2671, Oct. 2000.

[3] B. F. Levine, “Quantum-Well Infrared Photodetectors,” J. Appl. Phys., vol. 74, pp. R1-R81, 1993.

[4] Dong Pan, Elias Towe, and Steve Kennerly, “A five-period normal-incidence (In, Ga)As/GaAs quantum-dot infrared photodetector, ”Appl. Phys. Lett., vol. 75, pp.2719-2721, 1999.

[5] S. J. Xu, S. J. Chua, T. Mei, X. C. Wang, X. H. Zhang, G..Karunasiri, W. J. Fan, C. H.

Wang, J. Jiang, S. Wang, and X. G. Xie, “Characteristics of InGaAs quantum dot infrared photodetectors, ” Appl. Phys. Lett., vol. 73, pp.3153-3155, 1998.

[6] L. Chu, A. Zrenner, G. Böhm, and G. Abstreiter, “Normal-incident intersubband photocurrent spectroscopy on InAs/GaAs quantum dots, ” Appl. Phys. Lett., vol. 75,

[7]

“Quantum dot infrared photodetectors in new

[8]

[9] ostructures: Theie

ectronics, vol. 6, pp. 408-419, 2000.

nd J. L. Vossen, Eds. San Diego, CA: Academic, 1995, vol. 21, pp. 113–

[11]

[12] Shun Lien Chuang, “Physics of Optoelectronic Devices,” John Wiley & Sons, Inc.

pp.3599-3601, 1999.

E. Finkman, S. Maimon, V. Immer, G. Bahir, S. E. Schacham, S. Herriot, O. Gauthier-Lafaye, F. H. Julien, M. Gendry, J. Brault,

material systems, ”Physica E,7, pp.139-145, 2000.

K. K. Choi, “The Physics of Quantum Well Infrared Photodetetors,” World Scientific.

Elias Towe and Dong Pan, “Semiconductor Quantum-Dot Nan

Application in a New Class of Infrared Photodetectors,” IEEE J Selected Topics in Quantum El

[10] S. D. Gunapala and K. M. S. V. Bandara, “Recent developments in quantum-well infrared photodetectors,” in Homojunction and Quantum-Well Infrared Detectors, M. H.

Francombe a 237.

S. Li, “Recent progress in quantum well infrared photodetectors and focal plane arrays for IR imaging applications,” Mater. Chem. Phys., vol. 50, pp. 188–194, 1997.

[13] G. Hasnain, B. F. Levine, C. G. Bethea, R. A. Logan, J. Walker, and R. J. Malik,

“GaAs/AlGaAs multiquanturn well infrared detector arrays using etched gratings,” Appl.

Phys. Lett., vol. 54, pp. 2515–2517, 1989.

L.

[17]

Rafol, and S. W.Kennerly,IEEE” High-Temperature Operation of InAs–GaAs

Well [14] S. Y. Wang, S. D. Lin, H. W. Wu, and C. P. Lee, “Low Dark Current Quantum Dot Infrared Photodetectors with AlGaAs Current Blocking Layer,” Appl. Phys. Lett., vol. 78, pp. 1023-1025, Feb. 2001.

[15] Werner Seifert, Niclas Carsson, Mark Miller, Mats-Erik Pistol, Lars Samuelson and Reine Wallenberg, “In-situ Growth of Quantum Dot Structures by the Stranski-Krastanow Growth Mode,” Prog. Crystal Growth and Charat. Vol. 33, pp. 423-471, 1996.

[16] John David Vincent, “Fundamentals of Infrared Detector Operation and Testing,” John Wiley & Sons, Inc.

S. Chakrabarti, A.D.Stiff-Roberts, P.Bhattacharya, Fellow,IEEE, S.Gunapala, S. Bandara, S. B.

Quantum-Dot Infrared Photodetectors With Large Responsivity and Detectivity“Photonics Technology. Letters, 16, 1361, (2004)

[18]L. Thibaudeau, P. Bois, and J. Y. DuboZ “A Self-Consistent Model for Quantum Infrared Photodetectors” J. Appl. Phys. 79 ,446 (1996)

簡歷(Vita)

姓名 : 周 聖 偉 (Chou,Sheng-Wei) 性別 : 男

出生年月日 : 民國 70 年 9 月 3 日 籍貫 : 台灣省台南市

學歷 :

國立中央大學物理學系學士 (2000.9-2004.6) 國立交通大學電子工程研究所碩士班 (2004.9-2006.6) 碩士論文題目:

量子點紅外線偵測器之研究

Studies of Quantum Dot Infrared Photodetectors

在文檔中 量子點紅外線偵測器之研究 (頁 53-74)