暗電流機制(Dark current)

對於不經由吸收外部光子所造的電流可通稱暗電流。在偵測器的暗電 流內部機制中主要包含兩大部分，一為不經過量子點直接通過能障(Barrier) 所形成的電流，此為 n-i-n 結構的效應，如圖 2-7 所示。另一部分則是經過 量子點本身所產生的暗電流，後者暗電流機制又可包含三部分(1)熱游離 暗 電 流 (thermionic emission)(2) 熱 助 穿 遂 暗 電 流 (thermal assisted tunneling)(3)直接穿遂暗電流(directly tunneling)。如圖 2-8 所示。熱游離 暗電流乃量子點內的載子經熱能提供能量，被激發到能障的頂端，形成總 電流的一部分。熱助穿遂暗電流則是載子被激發到較高但比能障低的能 階，藉由熱能使得載子可以穿透能障到達連續帶，形成暗電流的一部分。

直接穿遂電流則不藉由溫度的效應，載子由量子點或量子井直接穿遂能障 而造成的暗電流。對 QDIP 而言，熱游離和熱助穿遂兩種暗電流機制因為 量子點的聲子瓶頸效應，應相較於量子井紅外線偵測器來的小。而直接穿 遂暗電流效應可利用加大QDIP 能障的寬度來抑制。

對於不經過量子點，而由n-i-n結構效應所產生的暗電流，我們採取 在量子點與量子點之間，成長一層能隙較高的AlGaAs當作能障^[14]，示意圖 如 2-9 所示，電子因此層高能障的阻礙，而較容易流經能隙較低的量子點 部分，此目的造成等效面積減小，達到提高n-i-n電阻，降低此效應所產生 的暗電流。另外為了證明所成長的AlGaAs是否完全蓋住量子點，我們拍攝

10 層InAs/GaAs量子點系統之TEM照片，如圖 2-10 所示，我們局部放大量 子點之間的結構，如圖 2-11，由TEM照片可看出成長的AlGaAs成功的覆 蓋在兩個量子點之間與量子點本身，此舉成功的降低暗電流超過四個數量 級，並使QDIPs可在較高的溫度下仍有相當好的偵測度^[14]。

此外，對於摻雜濃度也會影響暗電流的機制。當摻雜雜質的濃度過 高，造成量子點在高能階就有電子，會造成載子容易逃逸出量子點外；然 而摻雜濃度過低，也會造成光電流過小影響其偵測度，故摻雜濃度亦將是 影響暗電流的重點之一。

圖2-1 黑體輻射頻譜密度 VS 波長之關係圖

圖2-2 紅外線的大氣頻譜圖

圖2-3 (a)本質紅外線偵測器之操作原理(b)外質紅外線偵測器之操作原理

[9]。

圖2-4 QWIP之操作原理^[9]

thermionic emission

tunneling ν

h

(a) (b)

(c)

圖2-5 (a) bound-to-bound QWIPs (b) bound-to-continum QWIPs (c) bound-to-quasi-bound QWIPs

圖2-6 (a)量子點狀態密度函數 (b)量子井狀態密度函數

QD

圖 2-7 n-i-n 結構效應之暗電流

圖2-8 (a)熱游離暗電流(thermionic emission)

(b) 熱助穿遂暗電流(thermal assisted tunneling) (c)直接穿遂暗電流(directly tunneling)

(a) (b) (c)

AlGaAs InAs QDs

電流

圖2-9 在量子點間成長 AlGaAs 以阻擋 n-i-n 效應形成之暗電流

圖 2-10 10 層 InAs/GaAs 系統量子點結構之 TEM 照片

InAs QDs

AlGaAs (current blocking layer)

圖 2-11 InAs QDs/GaAs 系統的 TEM 照片:

從 TEM 圖明顯看出高能障 AlGaAs 電流阻擋層成功的成長在量子點之間，

有效的降低n-i-n 效應所形成的暗電流