GaN基多量子阱红外探测器研究进展(特邀)

第50卷第1期

V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared

and

Laser

Engineering2021年1月

Jan. 2021GaN基多量子阱红外探测器研究进展（特邀）吴峰”，戴江南陈长清、许金通2,胡伟达2(1.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北武汉430074;2.中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)有非常高的设计自由

透明区域以及高的声

摘要：多量子阱红外探测器是一种新型的利用子带跃迁机制的探测器件，具度。GaN/Al(Ga)N量子阱由于大的导带带阶，超快的电子驰豫时间，超宽的红外子能量,使得其成为继外关于GaAs量子阱红外探测器之后又一潜在的探测材料结构。文中详细综述了国内

GaN基量子阱红外子带吸收及其探测器件的研究进展。首先介绍了量子阱红外探测器的工作

GaN基多量子阱、非极性或半极性GaN基多量子阱以及纳米线结构

GaN基多量子阱三个方面回顾当前GaN基多量子阱红外吸收的一些重要研究进展，包括了从近红外

到远红外甚至太赫兹波段范围的各种突破。最后回顾了

GaN基多量子阱红外探测器件的研究进展，

原理及其选择定则，接着从极性包括其光电响应特性和高频响应特性，并对其未来的发展进行总结和展望。关键词：GaN;量子阱；红外探测器；子带跃迁吸收中图分类号：0434.3 文献标志码：A

DOI： 10.3788/IRLA20211020Recent progress of GaN based quantum well

infrared photodetector {Invited)Wu

Feng1*,

Dai

Jiangnan1,

Chen

Changqing',

Xu

Jintong2,

Hu

Weida2(1. Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)Abstract:

Quantum

well

infrared

photodetector (QWIP)

is

a

new

device

utilizing

the

intersubband

transition

in

conduction

band

or

valance

band,

which

has

a

very

high

free

degree

of

device

design.

Due

to

the

large

conduction

band-offset,

the

ultrafast

electron

relax

time,

the

ultra-wide

infrared

transparency

and

the

high

energy

LO-phonon,

the

GaN/Al(Ga)N

multi-quantum

wells (MQWs)

has

become

a

potential

candidate

for

the

infrared

detector

since

the

GaAs

based

MQWs.

In

this

paper,

the

research

progresses

of

intersubband

transition

absorption (ISBT)

and

corresponding

photoresponse

of

GaN

based

MQWs

were

systematically

reviewed.

First,

the

operation

principle

and

the

selection

rule

of

the

quantum

well

infrared

photodetector

was

explained.

Then,

the

main

research

work

was

introduced

including

the

ISBT

absorption

of

polar,

nonpolar

and

nanowire

GaN

based

MQWs,

from

the

near

infrared

to

far

infrared,

even

the

THz

range.

Finally,

the

progress

of

GaN

based

QWIP

and

quantum

cascade

detectors (QCD)

was

reviewed

including

the

photofresponse

and

the

frequency

response

of

the

device.

A

conclusion

and

perspective

was

presented

for

the

future

research

in

GaN

based

QWIP

and

words:

GaN;

quantum

well;

infrared

photodetector;

intersubband

transition

absorption收稿日期:2020-11-15;修订日期:2020-12-09基金项目：国家自然科学基金（61904184, 61874043);上海市自然科学基金项目（18ZR1445900);中央高校基本科研业务费专项资金

(5003187-1

红外与激光工程第1期第50卷材料，GaN系列材料在红外波段是透明的，除了 9.6~

〇引言红外探测器在诸多方面拥有广阔的应用，如光通

信、红外夜视、红外测温、红外制导和告警、红外遥

感、红外诊断和医疗、工业检测等等[11。目前制备红

外探测器主要采用半导体材料，如梯化铟（InSb)、硫

化铅（PbS)、碲镉汞（HgCdTe)、砷化铟（InAs)等，以及

相变材料氧化钒(V02)等。采用半导体材料制备

19

nm的Rehstrahlen吸收带此外，氮化物的r能

谷与L和X能谷的能间距很大（大于2

eV)，因此能谷

间的散射作用非常弱，由此造成的噪声也非常低。

Suzuki等人还发现GaN基量子阱中电子在子能级上

的驰豫时间非常快，短至80

fs，因此非常适合制备高

速光探测器、光调制器和光开光[|4]。由于GaN的

LO声子能量高达92

meV,是GaAs的三倍，而室温的

红外探测器主要是利用电子带间跃迁原理，即红外光

激发电子从价带跃迁到导带，使得半导体材料的电导

率发生改变或者在内建电场下产生光生电势，分别对

应于光电导探测器和光伏探测器。由于红外光子的

能量较低，特别是中波、长波红外，其光子的能量低至

几百甚至几十meV,因此需要采用带隙非常窄的半导

体材料如InSb、HgCdTe。基于窄带隙半导体材料的

红外探测器面临的一大挑战就是环境辐射热造成的

背景噪声很大，因此大多数中长波红外探测器都需要

在低温环境下工作。在20世纪70年代末，Esaki

和Sakaki提出了一种全新的红外探测原理，即利用量

子限制效应导致的子能级来实现红外光的探测['这

种全新的原理避免了材料固有带隙的限制，可以通过

控制薄膜的厚度实现跃迁波长的连续改变，极大方便

了探测器的设计。随后，Chiu、Smith、Coon等人从理

论和实验方面对多量子阱中的电子子能级跃迁进行

了探索和研究[5_8]，West和Eglash则首次在多量子阱

中观察到强的子能级跃迁吸收[9]。在此基础上,Levine

制备了第一个基于子能级跃迁的多量子阱红外探测

器（Multiquantum

Well

Infrared

Photodetector，QWIP)[丨0]〇

起初，这种多量子阱红外探测器主要采用ni-v族

环境热能大约为26

meV,因此GaN基多量子阱红外

探测器理论上是可以室温工作的[|11。经过近二十年

的研究，GaN基多量子阱红外探测器已取得了显著的

成果，文中将首先简单介绍GaN基多量子阱红外探

测器的工作原理及特点，接着从极性GaN基多量子

阱、非极性或半极性GaN基多量子阱以及纳米线结

构GaN基多量子阱三个方面回顾当前GaN基多量子

阱红外吸收研究进展，最后对GaN基多量子阱红外

探测器件的研究进展进行回顾并对其未来的发展进

行展望。1

GaN基多量子阱红外探测原理及选择

定则多量子阱红外探测器的工作原理是基于子能级

跃迁的，或者说带内跃迁，以此区别带间跃迁。要想

在量子阱中形成子能级，量子阱的厚度必须要小于电

子的波尔半径，电子此时受到量子限制作用，从而形

成分立的子能级。这里，我们采用最简单的单量子阱

和单电子模型来描述多量子阱红外探测器的工作原

理。根据Fermi黄金定则，电子从能态；到能态/的跃

迁几率可由以下公式表述：GaAs系列半导体材料制备，由于导带带阶和材料透

过率的限制，GaAs基QWIP器件的波长探测范围很

难做到3

pm以下的短波红外和近红外区域为了

突破这个限制，宽禁带半导体材料氮化物（GaN、A1N、

W/;= ^|<.A/|//,|^)|25(£/-£/-M ⑴式中：是相互作用的哈密顿量；是辐射能；和

£■是初态（〇和终态(/)的波函数和本征能量。由于在

带间跃迁时辐射波长远大于晶格周期，在子带跃迁时

辐射波长大于势阱宽度，因此可以采用偶极近似：InN及其合金）基多量子阱结构引起了人们的关注和

研究。研究表明，GaN/AIN量子阱的导带带阶可达1.8

eVn2],因此基于导带电子子能级跃迁的GaN/AIN

多量子阱探测器可以覆盖近红外和短波红外区域，特

别是光纤通信窗口 1.3~1.55|jrn:相较于GaAs系列式中：9是兀电荷；是电场振幅；m*是有效质量;5和

卢分别是极化矢量和动量算符。将公式(2)代人公式20211020-2

红外与激光工程第1期第50卷(1)，可以得到：即因此，只有电场的z分量能耦合到子带跃迁中,

量子阱结构只对横磁（TM)偏振光有响应，这就需

♦〉12<5(£厂尽七）⑶〜=f要使用表面光栅或波导装置来将光耦合到有源区

域中。将公式（9)代人公式（3)，并考虑到动量可以描述

为^, =

/m * ，，则子带跃迁几率可以改写为：应用包络函数形式，电子波函数也(〇可以表示为

周期性Bloch函数mv(7)和缓慢变化的包络函数/,仍的

乘积，其中n表示所研究体系的量子数。在假设所有

组成材料的晶格周期函数都相同的条件下，可以得出

仅用于包络函数的薛定谔方程：% =

Y ^^£加々)1也(2)〉广

x6(ki±-k[)6(Ef~Ei-h〇j) (10)2m+*v(^m=Enm ⑷态到/之间的子带吸收系数通常由单位时间和

体积所吸收的电磁能量AwWVV与人射辐射强度的比

值来定义，其中甸是真空介电常数，《是

式中：V的是势能曲线；£„是能量本征值。在单量子

阱中引人包络函数表达式：fnir^ = ~

expiic ^)^(z)

[± ■(5)材料的折射率，c是光速。式中d是样本面积;;Kz)是沿生长轴的包络函数分量;

a(w)=叫2 (£>-£,.)ncehV〇X£^^2|Cr/(z)丨也⑵〉I—-^t和匕表示二维（2D)矢量⑷，卜）和〇:，办公式

(4)的解推出以下形式的能量本征值：Um-fiEfSiEfEhcS)(11)式中：/(£)是费米函数。该求和可以表示为两个子带

(6)的载流子面密度之差Ek„ (±) =

E + —n0其中子带能量£„。取决于电势曲线V(z)。对于具有无

限深势垒的对称量子阱，可以得到以下本征值：YJfEi2[()-fEf()]=sn(^-n

f)s(12)EAkJ =2nhkmL22 *

1

h2kl

m2*式中是晶体表面6因此，子带跃迁吸收系数可以

(7)写为：=

^n^hL

K -»/)^(£/-£.

~M (13)其中，％=g(^(z)|zUr,(z)〉是子带跃迁偶极矩阵元。偶极矩阵元仅涉及初始和最终子带的包络波函

数。因此，由于z为奇数，在对称势阱中仅允许包络

波函数具有相反奇偶性的子带之间的跃迁，但此选择

规则不适用于非对称势能分布。当给定势能分布，可以根据公式（4)求解得

到量子阱中电子的包络波函数/„(0及其能量本征值

£„。图1(a)为Kandaswamy等人计算得到的GaN/

其中i是势阱厚度。回到公式（3)，矩阵元素

(中暑獅)分解为:(l//fS-= g- (uvpUy，) + ^-

Uv)(fnPfn-)(8)式中：v和v'以及n和n'分别是带间和子带终态和初始

态的指数。第一项表示带间跃迁，在带内跃迁情况下

此项为零。它由Bloch函数的偶极矩阵元(决定带间

偏振选择规则）和包络函数的重叠积分组成，并决定

了电子子能级和空穴子能级的跃迁选择定则。第二

项表示子带跃迁过程，它由Bloch函数的重叠积分

(当两个包络状态从同一能带中获取时，该积分不为

零）以及包络函数的偶极矩阵元组成，该偶极矩阵元

决定了子带跃迁的偏振选择定则：(A1N多量子阱中电子和空穴的波函数及能级[1由

于强的量子阱限制作用，电子和空穴在量子阱中形成

了分立能级，能级间距可由势阱的厚度等参数自由调

fn^-pfn =

')J

dz^(z)^„.(z) (9)控。利用分立能级上电子或空穴的跃迁，可以实现对

红外光的探测。20211020-3

红外与激光工程第1期第50卷1.61.4>3/x3u3oep-240.60.4-68

Depth/nm12

161.01.5 2.02.5QW thickness/nm图1⑷计算得到的GaN/AIN多量子阱能带图及其电子和空穴的波函数和能级，(b)计算得到的e2-ei和e3-ei跃迁能量与势阱厚度的关系，其中

三角形为实验数据Fig.l The calculated wavefunction and energy level of electrons and holes iin GaN/AIN MQWs, (b) the calculated relationship of q2~c an(^ e3~ei

transition energy and quantum well width, the triangle symbol is the experimental data2极性GaN基多量子阱子能带吸收氮化物材料与其他常见半导体材料的很大不同

响进行了详细的研究和分析[16]。如图2所示，由于极化电场的存在，量子阱结构原本水平的能带变得倾

斜，且极化电场越大，能带倾斜越厉害。能带的倾斜

会对子带跃迁波长产生显著影响，随着极化电场的增

大，子带吸收波长逐渐蓝移。由于量子阱的有效势讲

深度会随着极化电场的增大而增大，电子受到的量子

限制作用增强，因此子能级ei和子能级e2之间的间

距增大,跃迁波长变短。此外，还可以看到，随着极化

电场的增大，子带吸收系数也会变大。在于其具有很强的自发极化和压电极化效应。在C-

面(0001面)GaN多量子阱结构中，极化效应产生的极

化电荷聚集在异质结界面处，这些电荷会在势阱和势

垒当中产生很大的极化电场，从而使得量子阱的能带

发生弯曲倾斜。因此，在设计量子阱子能级跃迁波长

时，需要充分考虑极化效应的影响。华中科技大学的

陈长清教授课题组从理论计算方面对极化效应的影0.6

^ 0.4⑷毛°

16120.2e

s〇〇一 4Ic-0.2|<03.03.54.0Wavelength/|im4.55.00 2 4

Distance/nm

6 8图2⑷GaN/AlGaN单量子阱能带示意图，图中包含电子的第一能级ei和第二能级e2, (b)计算得到的子带吸收系数谱，easel、CaSe2、case3、

case4四个量子阱结构的极化电场分别为0、1.36、1和2.4 MV/cmFig.2 (a) Band energy diagram of GaN/AlGaN single quantum well, including the first energy level e! and the second energy level e2, (b) the calculated

intersubband absorption spectra of four different quantum wells, the polarization field in easel, case2, case3 and case4 quantum wells are 0, 1.36,

1 and 2.4 MV/cm, respectively在实验方面，国内外多个课题组相继报道了基于

极性GaN多量子阱结构的子能带红外吸收。Suzuki

等人首次在MOCVD生长的Al/khN/GaN多量子阱中观测到了子带间跃迁，并研究了极化电场对量子阱20211020-4

红外与激光工程第1期第50卷中子带间跃迁的影响[17]，如图3(a)所示。实验发现,

子带吸收波长会随着势阱宽度的增大而红移,吸收强

度会随着量子阱个数的增加而增强。随后Gmachl等

人利用MBE生长技术制备出了调制掺杂的Al/}aiiN/

epe2跃迁，吸收峰的波长与理论计算的结果符合非常

好，如图1(b)所示。此外，对于势阱较宽的GaN/AIN

多量子阱样品，在长波长处出现一个相对较弱的吸收

峰，该吸收峰可归因于量子阱中电子第一能级到第三

能级的跃迁，即epe3跃迁。在理论上，对于对称的量

子阱结构，该ei-e3跃迁是禁止的。然而，对于极性

GaN多量子阱，并首次观察到了 1.55

urn的子带间吸

收跃迁，证实了该类探测器可以应用在光通信领

域【18],如图 3(b)所示。此后，F.

H.

Mien 和

D.

Hofstetter

研究小组对GaN基多量子阱子带红外吸收进行了较

为详细和系统的研究。如图4(a)所示，在Si掺杂的

二元GaN/AIN多量子阱中可以观察到显著的TM偏

振红外光吸收，吸收峰的半高宽在70~100

meV范围，

而样品对TE偏振红外光则完全无吸收115]。该吸收峰

来自于量子阱中电子第一能级到第二能级的跃迁，即GaN/AIN多量子阱，由于极化电场的存在，量子阱能

带的对称性遭到破坏，形成三角形势阱，因此存在

epe3跃迁。采用二元GaN/AIN多量子阱，epe2跃迁

波长可通过改变势阱和势垒厚度在l~3.5nm范围内

调节。如图1(b)所示，理论计算表明，由于极化电场

的存在，通过简单增加势阱宽度来继续减小ei-e2跃

迁能距是不可行的，因此需要通过降低势垒高度来减tsu0.8n

0.o

Jcaq053U4BqoJ

osq<

•uuou/uoldlosqe.1

3cti02 3 4 5

Wavelength A/^m

01.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25Wavelength/nmm图3 (a) GaN/AlGaN量子阱中的子带跃迁吸收谱，(b) 1.55 p通信波段子带跃迁吸收谱

Fig.3 The intersubband absorption spectra in GaN/AlGaN QWs, (b) intersubband absorption spectra at telecom wavelength at 1.55 fimWavelength/pm

3.0 2.5 2.0 1.51.0uop&osqBP3ZIIBUUOZ1.2uoljdlosqcd

图4 (a)蓝宝石衬底上不同势阱厚度的GaN/AIN多量子阱中的子带跃迁吸收谱，(b)蓝宝石和硅衬底上不同势阱厚度的GaN/AlGaN多量子阱中

的子带跃迁吸收谱Fig.4 (a) The intersubband absorption spectra of GaN/AIN MQWs grown on sapphire with different quantum well widths, (b) intersubband absorption

spectra of GaN/AlGaN MQWs grown on sapphire and Si substrates with different quantum well widthsgsj*TD3zlcdluuzo0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Energy/eV Wavelength/jam20211020-5

红外与激光工程第1期第50卷弱量子限制作用同时减小极化效应，从而缩减ei- 结果表明该GaN/AlGaN阶梯型量子阱在2

THz处有

62跃迁能距，实现长波长吸收。采用AlGaN三元合

一个明显的吸收峰，即吸收波长在150

pm左右，处于

金作为势垒在蓝宝石衬底上生长GaN/AlGaN多量子

太赫兹波段范围。华中科技大学的陈长清教授课题

阱，可将子带跃迁波长提高到5.3

pm的中红外区域。

组则从理论计算方面详细研究了

GaN/AlGaN阶梯型

然而，由于蓝宝石衬底在中长波红外是不透明的，因

量子阱在太赫兹波段的子带跃迁吸收规律，为实验生

此，想要继续延长红外吸收波长，人们采用了红外透

长制备提供了详细的结构参数指导[21]。明的硅衬底，如图4(b)所示，硅衬底上GaN/AlGaN多

在国内，北京大学沈波教授课题组首先报道了基

量子阱的子带吸收波长可至10

Hm™。进一步延长吸

于极性GaN/AlGaN多量子阱的子带跃迁红外吸收[22]。

收波长，则需要设计新的量子阱结构来抵消势阱中的极

他们采用MBE工艺生长了高质量的GaN/AlGaN多

化电场或者采用非极性GaN/AlGaN量子阱。F.H.

量子阱，观察到了大气窗口 3~5

pm子带跃迁吸收，如

Julien研究小组的Machhadani等人设计了一种新的

图6(a)所示。后续他们还研究了极化效应对GaN/

阶梯型量子阱结构如图5(a)所示，通过调控内部

AlGaN多量子阱子带跃迁吸收的影响[23]。同时期，华

电场获得了一个平坦的势阱。图5(b)的透射谱测试中科技大学陈长清教授课题组报道了通过调节AlGaNEnergy/meV0.2 ----------------------------------------1.05 10 15 20 25 30 35 40(a).UUOU/U.2e2e,一SSU

I

UW52H-0.1 -------1-------1-------1------■—1 0.80 5 10 15 20 2 4 6 8 10Growth axis/nm Frequency/THz图5 (a) GaN/AlGaN阶梯型量子阱能带示意图，图中包含电子的第一能级ei和第二能级e2, (b) GaN/AlGaN阶梯型量子阱在太赫兹波段的透射谱Fig.5 (a) The band energy diagram of GaN/AlGaN step quantum well, including the first energy level ej and the second energy level e2, (b) the

transmission spectra of GaN/AlGaN step quantum well at THz rangeIsnclqJB/3oUEqJosqv

n

qJE/

Fig.6 (a) The intersubband absorption spectra of GaN/AlGaN MQWs with different quantum well widths, (b) intersubband absorption spectra of

GaN/AlGaN MQWs grown on different AlGaN templates20211020-6

红外与激光工程第1期第50卷te板的A1组分来调控GaN/AlGaN多量子阱势阱中

的应力，实现了红外吸收波长在4.62~5.14

nm范围内

可调p4]，如图6(b)所示。掺杂也是影响GaN基多量子阱子带跃迁吸收的

重要因素。根据第2节中的原理介绍，必须保证量子

讲中电子基态能级上拥有足够的电子数目才能观察

到子带吸收。Kandaswamy等人详细研究了

Si掺杂

浓度和掺杂位置对GaN基多量子阱子带跃迁吸收的影响规律[15'25]。如图7(a)和（b)所示，随着掺杂浓度

的增大，子带跃迁吸收波长发生显著的蓝移，且吸收

谱变宽。吸收波长的蓝移主要是由多体效应导致的,

而吸收峰变宽则是因为高掺杂会导致量子阱界面更

加粗糙，电子能级波动和散射也更加严重。此外，对

不同掺杂位置的样品测试发现，不管是势垒掺杂还是

势阱掺杂，相比于无故意掺杂样品，子带吸收强度都

会显著增强，吸收峰同样蓝移且加宽，如图7(c)所示。Wavelength/^m

1.81.6 1.4 1.2(a).L=5xl〇20 cm-3cB-柄厂/i=5xl〇〇图7 (a)不同掺杂浓度的GaN/AlQ2Ga〇.8N带吸收谱，(c)不同掺杂位置的GaN/AIN (1.5 nm/3 nm)多量子讲的子带吸收谱

Fig.7 (a) The intersubband absorption spectra of GaN/Al〇 2Ga〇 8N (3 nm/3 nm) MQWs with different doping densities, (b) intersubband absorption

spectra of GaN/Al〇 iGa〇 9N (7 nm/4 nm) MQWs with different doping densities, (c) intersubband absorption spectra of GaN/AIN (1.5 nm/3 nm)MQWs with different doping locations3非极性或半极性GaN基多量子阱子能带

吸收在第2节极性GaN基多量子阱子带吸收的研究

进展中，可以看到极化电场对子带跃迁吸收有着重要

的影响，特别是限制了吸收峰向长波长扩展，这给基

于子带跃迁的器件设计带来了更高的难度。为了消

除极化效应的影响，研究人员采用非极性或半极性

GaN基多量子阱，实现了子带吸收从短波红外到中远

红外甚至太赫兹波段范围的覆盖。非极性GaN的生

长面包括m面和a面，也即（1-100)面和（11-20)面，

半极性面GaN的生长面有很多，常见的有（11-22)

面。相对于极性GaN，由于更大的晶格失配和表面各

向异性，非极性和半极性GaN的晶体质量和表面形

貌要差很多，因此，目前大多采用自支撑单晶GaN衬

底来外延生长高质量的非极性GaN基多量子阱结

构。Gmachl等人首先研究了

r-面蓝宝石衬底上生长

的a-面GaN基多量子阱中的子带吸收％。由于晶体图8半极性（11-22)面GaN/AIN多量子阱中的子带跃迁红外吸收

Fig.8 The intersubband infrared absorption spectra of nonpolar (11-22)

GaN/AIN MQWsuoudJosqEPwzljBUUOz2sp-3' ,f^

V-〇V)aN«^2x1〇20 6jji_3*sTa/i=5xl〇19/m^£EOZn=lJrlowin'12 3 4 5 6 7

Wavelength/jAm

2468 10 12 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2Energy/eV (7 nm/4 nmWavelength/^m

(3 nm/3 nm)多量子阱的子带吸收谱，(b)不同掺杂浓度的GaN/AlaiGa〇.9N)多量子阱的子

质量的原因，2.1

nm处的子带吸收峰不是很明显，线

宽也高达120

meV。Lahourcade等人则在m-面蓝宝

石衬底上生长出质量相对较好的半极性（11-22)

面GaN/AIN多量子讲[27]。如图8所示,半极性（11-22)Wavelength/(j.m

6 5 4 3 220211020-7

红外与激光工程第1期第50卷面GaN/AIN多量子阱在短波红外表现出显著的子带

吸收峰，与相同量子阱结构的极性样品对比，子带吸

收峰发生了明显的红移，说明半极性量子阱中的极化

电场强度大大降低。对于非极性m面或a面GaN基多量子阱，目前

基本上采用自支撑GaN衬底来生长。日本东京大学

的Teruhisa

Kotani等人详细研究了非极性m面GaN/

变温测试发现量子阱的子带吸收峰非常稳定，与温度

变化关系不大。Lim等人详细对比研究了

c面、m面和a面GaN/

A1N和GaN/AlGaN量子阱在短波、中波以及长波红

外围内的子带吸收[3|]。如图10所示，当势阱厚度较

小时，如1.3

nm，此时非极性面和极性面GaN/AIN量

子阱的子带吸收差别不大。当势阱厚度增大时，非极

性面和极性面的差别就逐渐体现出来，主要表现在非

极性面的子带吸收峰相对于极性面会发生红移。对

于GaN/AlGaN量子阱中波红外子带吸收，非极性面

的子带吸收峰与势阱厚度变化关系不大，且只观察到

AlGaN多量子阱中中波红外子带吸收与势阱厚度、

掺杂浓度以及温度的关系如图9所示，随着势

讲厚度增大，子带吸收波长发生红移,但红移的程度

要比极性面样品小。此外，掺杂会使子带吸收峰蓝

移，且线宽变宽，说明掺杂会使量子阱界面变粗糙。Wavelength/fim

8 7 6 5 4(b)ei-e2子带跃迁，而极性面的子带吸收峰与势阱厚度变Vd=^〇xl〇'2cm-2-••Theory300 K

275 K

250 K

225 K

200 K

175 K

150 K

125 K

100 K

75 K

50 K

32 K

8.4 KKyji../ jN1呈uD-Energy/eV

Z200JiV

6.6x10"300 400Photon energy/me V图9非极性m面GaN/AlGaN多量子阱中的中波红外子带吸收与（a)势阱厚度的关系，(b)掺杂浓度的关系，(c)温度的关系

Fig.9 The quantum well (a), doping concentration (b) and temperature (c) dependent intersubband Mid-infrared absorption spectra of nonpolar m planeGaN/AlGaN MQWsWavelength/|im

6 4 3 2 1.5Wavelength/}imWavelength/uuol}dIosq5

Lo

2.3.4.o

o

ulrl/q-*->§ua>f3>E^.2Jd!osqBP3NJBUUOZc3p3Nlmmoz

0.21.5 2.0 2.5 3.0

QW width/nm6.08.0

0.2 0.3 0.4 0.50.2 0.3 0.4 0.5Energy/eVEnergy/eV图10 (a)不同势阱厚度的c面、m面和a面GaN/AIN多量子阱中的短波红外子带吸收谱，(b)吸收峰与势阱厚度的关系，(c) m面GaN/AlGaN多

GaN/AlGaN多量子阱中的中波红外子带吸收谱 量子阱中的中波红外子带吸收谱，(d)对应的c面Fig. 10 (a) The intersubband short wavelength infrared absorption spectra of c, m and a plane GaN/AIN MQWs with different quantum well widths,

(b) the relationship of QW with and absorption peak, (c) intersubband Mid-infrared absorption spectra of m plane GaN/AlGaN MQWs,

(d) intersubband Mid-infrared absorption spectra of c plane GaN/AlGaN MQWs20211020-8

红外与激光工程第1期第50卷化关系很大，除了

ei-e2子带跃迁，还出现了

ei-e3子带

跃迁。最近，Monavarian等人通过改善非极性面

GaN/AlGaN量子阱的界面质量,获得了超窄线宽的中

如图11⑷所示，在太赫兹波段，子带吸收谱非常宽，

可能是由多个子能带吸收峰组成造成的。此外，他们

还研究了

Si掺杂浓度对子带吸收的影响，如图11(b)

所示,随着掺杂浓度的增大，吸收峰蓝移且变宽。图11(c)

为Ge掺杂的m-面GaN/AlGaN量子阱的子带吸收谱,

相比于Si掺杂,Ge掺杂对子带吸收的影响要小得多。波红外子带吸收，其线宽低至38 meV[32]。除了红外吸收之外，Lim等人还将非极性面GaN/

AlGaN量子阱的子带跃迁扩展至太赫兹波段Frequency/THz

2 4

6Frequency/THz124

6Frequency/THz12 144

(c)5

6

8 10

8 10

7

8 9SJc

nqJ/33UBqJosqE21cduouPJqJ的Oqas^IHpulsuNuoz一IBUUOZuoylosqBe-

p(u

z1020 30 40502030 4050152025 3035Energy/meVEnergy/meVEnergy/meV图1丨（a)不同势阱厚度非极性面GaN/AlGaN量子阱中的太赫兹波段子带吸收谱，(b)不同Si掺杂浓度非极性面GaN/AlGaN量子阱中的太赫兹

波段子带吸收谱，(c)不同Ge掺杂浓度非极性面GaN/AlGaN量子阱中的太赫兹波段子带吸收谱

Fig. 11 (a) The intersubband THz absorption spectra of nonpolar GaN/AlGaN MQWs with different quantum well widths, (b) the intersubband THzabsorption spectra of nonpolar GaN/AlGaN MQWs with different Si doping concentrations, (c) the intersubband THz absorption spectra of

nonpolar GaN/AlGaN MQWs with different Ge doping concentrations4纳米线结构GaN基多量子阱子能带吸收对于氮化物材料，纳米线结构可以有效降低晶体

A1N纳米线量子阱在1〜3

范围内有明显的非常宽的吸收峰，高的吸收线宽主要是由纳米线的尺寸分布

不均匀导致的。此外，GaN/AIN纳米线量子阱的子带

吸收波长随着掺杂浓度的增大而蓝移，随着势阱厚度

的增大而红移，如图12(c)和（d)所示。Ajay等人则研

究了不同Si掺杂浓度和不同势阱厚度的GaN/AIN以

及GaN/AlGaN纳米线量子阱中子带吸收[37]。如图13(c)

所示,样品表现出高斯型分布的吸收峰。中的位错密度和应力，甚至可以得到无错位和应力的

纳米线材料，这对实现更强的子带跃迁吸收尤为重

要。Beeler等人详细研究了

Ge摻杂GaN/AIN纳米线

量子阱中的子带跃迁吸收3[ 536]。如图12(a)和（b)所示，

他们采用PAMBE生长了无位错和应力的高质量

GaN/AIN纳米线量子阱。FTIR透射谱表明该GaN/20211020-9

红外与激光工程第1期第50卷r=300 KHtttttHttmttttmtmttmttizlvu.2s}LUSUcdJJci;jUOISIlusuBJlJCEiGaNTE -v- 1.5 -o-

1.0x10_9mbar100 nm3 50 nm••…-^_5.〇xl〇-'° mbar2 3 42 3 4Wavelength/jimWavelength/jam图12 (a)和（b)GaN/AlN纳米线量子阱的TEMGaN/AIN纳米线量子阱的子带吸收谱图，（c)不同Ge掺杂浓度的GaN/AIN纳米线量子阱的子带吸收谱，（d)不同势阱厚度的

Fig. 12 (a) and (b) The TEM image of GaN/AIN nanowire quantum wells, (c) the intersubband absorption spectra of GaN/AIN nanowire quantum wells

with different Ge doping concentrations, (d) the intersubband absorption spectra of GaN/AIN nanowire quantum wells with different QW ngth/^im

96 3 2 1GaN/AIN

—2

—4 nm

—6 nm

GaN/AlGaN

—4 nmnm

图13⑷和（b) GaN/AIN纳米线量子阱的T子带吸收谱EM图，（c)不同Si掺杂浓度和不同势阱厚度的GaN/AIN以及GaN/AlGaN纳米线量子阱中的

Fig. 13 (a) and (b) The TEM image of GaN/AIN nanowire quantum wells, (c) the intersubband absorption spectra of GaN/AIN and GaN/AlGaN

nanowire quantum wells with different Si doping concentrations and QW widths除了采用外延生长方式获得纳米线结构以外，还

可以利用自上而下的刻蚀方式获得纳米线结构。

柱和微米柱[38]，如图14(a)和（b)所示。FTIR透射谱

测试表明，近红外样品具有较窄的吸收峰，而中波红

外样品的吸收峰则非常宽，如图14(c)和（d)所示。LShnemann等人采用ICP刻蚀获得了

GaN/AIN纳米20211020—10

红外与激光工程第1期gy/eV

1.0 0.8 0.6 0.50.40.5 0.4

第50卷Energy/eV0.3 0.2 lull 4 ^2.8nmlx39130 nm

6.15 nm.,

0.78nm>xl0°

100 nm图14⑷GaN/AIN纳米柱和(b) GaN/AIN微米柱的SEM图，(c)近红外样品和（d)中波红外样品的子带透射谱

Fig. 14 (a) SEM image of (a) GaN/AIN nanopillar and (b) GaN/AIN micropillar, the intersubband transmission spectra of (c) near-infrared and (d) mid-

infrared samples5

GaN基多量子阱红外探测器前面几节中总结了

GaN基多量子阱中的红外子

带吸收，而没有涉及到器件层面。事实上，基于

所示。此外，他们还详细研究了器件的高频响应特

性，为其在高速光通信中的应用提供了依据为了避免暗电流大带来的信号提取困难，提高器

件室温工作的性能,Vardi等人提出了

GaN/AlGaN/AIN

量子级联探测器（quantum

cascade

detector,

QCD)[45],

如图16(a)所示。在此结构中，有源区量子阱中激发

态上的电子通过级联结构的内部电场作用可以驰

豫到下一个有源区量子阱的基态上，从而在器件中形

成电流而无需外加偏压。该量子级联探测器可在光

伏模式和室温下工作，避免了暗电流大导致器件灵敏

度低的问题。频率响应测试发现该类型探测器在

1.55

nm处的3dB带宽可达11.4GHz【46],如图16(c)所GaN多量子阱的红外探测器也是同步发展的，并取得

了一些里程碑式的研究进展。在GaN基多量子阱红

外探测器方面，Hofstetter等人进行了大量详细的开创

性研究。他们制备了第一个GaN/AIN多量子阱红外

探测器，峰值响应波长在1.55 |jm,比探测率达2><

109 (cm2

Hz)1/2/W,工作温度可至 170

K[39],如图 15(a)

所示。在此基础上，他们采用肖特基结器件结构，实

现了室温可工作的光伏模式红外探测器[4e1，如图15(b)000r⑷gsl709up

_

/

/

^vVoltage [V] Temperature [K]-0.5 0 0.5 50 100 150tiun

.qlB/&3oAolo£

10

8

6o

/JUutnoloqAr、rL%J

2o

o

oCJ4 000

6 000

8 000 10 000

〇 5 000 10 000 15 000 20 000Photon energy/cm'1 Photon energy/cm-1图15 (a) GaN/AIN多量子阱红外探测器在不同温度下的光电流响应谱，(b)肖特基型GaN/AIN多量子阱红外探测器在不同温度下的光伏响应谱

Fig. 15 (a) The photocurrent response spectra of GaN/AIN MQWs infrared detector under different temperatures, (b) the photovoltaic response spectra of

Schottky GaN/AIN MQWs infrared detector under different temperatures20211020-11

红外与激光工程第1期length/fim第50卷1.052.8 2.4 2.0 1.6 1.2Voltageresponsivity/kVW

00crtc-ic2H

一-0.5100 150 200Growth direction/A2500.8Energy/eV10m -1t5—22 一3

f -4-5109Frequency/Hz-61091010Frequency/Hz10"图16 (a) GaN/AlGaN/AIN量子级联探测器的能带示意图，(b) GaN/AlGaN/AIN量子级联探测器的透射谱和光伏响应谱，(c) GaN/AlGaN/AIN量

子级联探测器的频率响应谱，(d) GaN/AlGaN量子级联探测器的频率响应谱

Fig. 16 (a) The energy band diagram of GaN/AlGaN/AIN quantum cascade detectors, (b) the transimission and photovoltaic response spectra of

GaN/AlGaN/AIN quantum cascade detectors, (c) the frequency response spectra of GaN/AlGaN/AIN quantum cascade detectors, (d) the

frequency response spectra of GaN/AlGaN quantum cascade detectors示。通过进一步优化器件结构和减小器件面积，Sakr

等人实现了

3dB带宽高达42 GHz的GaN/AlGaN量

子级联探测器[47],如图16(d)所示，为其在高速光通信

中的应用奠定了实验基础。除了实现近红外和中波红外探测以外，研究人员

还将探测波长延长至太赫兹波段，在器件层面实现了

光电流信号的获取[481,如图17(a)所示。Pesach等人则在非极性m面上实现了

InGaN/AlGaN量子阱长波红外探测器’，如图17(b)所7K。Ldhnemann等人则

实现了

GaN/AIN纳米线量子阱近红外探测器如

图17(c)和（d)所示。在国内，北京大学沈波教授课题组实现了基于

GaN/AlGaN阶梯型量子阱结构的中波红外光电导型

探测器[〜。如图18(a)所示，由于蓝宝石衬底上生长Wavelength/^im11 10 9 8 720 40 60 80Photon energy/meV1-12

红外与激光工程第1期第50卷(c)图17⑷双阶梯型GaN/AlGaN量子阱太赫兹探测器的光电流响应谱，(b) m面丨nGaN/AlGaN量子阱长波红外探测器的光电流响应谱，(c) GaN/A1N纳米线量子阱近红外探测器的器件示意图及其量子阱能带示意图，(d) GaN/AIN纳米线量子阱近红外探测器的光电流响应谱Fig. 17 (a) The photocurrent response spectra of double step quantum well GaN/AlGaN MQWs THz detector, (b) the photocurrent response spectra of

m-plane InGaN/AlGaN MQWs long wavelength infrared detector, (c) the schematic and energy band diagram of GaN/AIN nanowire quantum

well near infrared detector, (d) photocurrent response spectra of GaN/AIN nanowire quantum well near infrared detectorWavelength/nm

86543 2 1.5 432

Wavelength/nm1图18⑷GaN/AlGaN阶梯型量子阱光电导探测器的光谱响应,(b) GaN/AIN量子级联探测器的光谱响应

Fig. 18 (a) The photocurrent response spectra of GaN/AlGaN step quantum well photoconductive detector, (b) photocurrent response spectra of

GaN/AIN quantum cascade detector的样品晶体质量不及GaN体单晶衬底，器件的红外

响应并不是很明显。最近.他们通过优化器件结构设

计，在GaN/AIN量子级联探测器中实现了超宽光谱响

应，从可见光550

nm —直到中波红外4.丨（W521，如

图18(b)所示。的重要方向之一。此外，器件结构也是影响其性能的

重要方面,设计和优化器件结构，充分利用氮化物的

极化效应，可有望实现更高的探测性能以及实现新的

多功能器件。未来，高性能的GaN基量子阱红外探

测器有望在近红外的光通信方面取得应用。6总结GaN基量子阱红外探测器经过近二十年的研究，

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量子阱红外探测器,GaN基量子阱红外探测器在器件

的响应度、比探测率以及工作温度方面等还需要进一

步提高。目前来看，影响器件性能的主要因素是材料

的晶体质量，开发高质量低成本的体单晶衬底是未来Infrared Physics & Technology, 2002, 43(3):

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21(17): 174208.

of Physics: Condensed Matter, 2009,通讯作者简介：吴峰，男，1988年生，现为华中科技大学武汉光电国家研究中心副研究员，博

士研究生学历。目前研究方向为半导体材料生长及光电子器件制备，包括第三代半导体氮

化物外延生长、新型二维半导体生长表征,基于氮化物和二维半导体的发光器件和探测器件

制备和机理研究。Email:

wufengl23@20211020-15