四元单极势垒在变质InGaAs光电探测器中的优化设计与性能提升研究

本研究针对高铟组分In0.83Ga0.17As/InP光电探测器因晶格失配导致的暗电流问题，创新性采用AlGaAsSb四元单极势垒结构（PBIN），通过能带工程实现高导带偏移（CBO）和零价带偏移（VBO）。仿真表明，优化势垒位置（吸收层耗尽区边缘）和厚度（0.1 μm）可使暗电流降低2个数量级，探测率提升1个数量级，为扩展短波红外探测性能提供新方案。

　　

在短波红外（SWIR）探测领域，InGaAs光电探测器（PD）因其成本优势和成熟工艺备受关注。然而，当铟（In）组分提升至0.83以实现2.5 μm波长探测时，晶格失配率高达2.1%，导致高位错密度和暗电流激增。传统缓冲层技术虽能改善材料质量，却无法有效抑制耗尽区暗电流。更棘手的是，现有势垒结构如AlAsSb或InGaAs/InAs超晶格仍存在价带偏移（VBO），成为性能提升的瓶颈。

针对这一挑战，国内研究团队通过仿真系统研究了AlGaAsSb四元单极势垒在变质In_0.83Ga_0.17As/InP PD中的优化设计。该研究创新性地通过调节Al/As组分实现晶格匹配，同时获得高导带偏移（1.1 eV）和零价带偏移的独特能带结构。论文发表在《Optics》期刊，揭示了势垒参数对探测器性能的调控规律。

研究采用Silvaco Atlas工具构建器件模型，重点分析势垒位置、厚度（0.1-0.3 μm）和掺杂浓度（1×10¹⁵-1×10¹⁶ cm^?3）对能带结构、暗电流、量子效率（QE）和探测率的影响。通过对比有无势垒的PIN结构，量化评估性能提升效果。

能带工程突破
通过精确调控Al_xGa_1-xAs_ySb_1-y组分（x=0.4, y=0.03），实现与In_0.83Ga_0.17As的晶格匹配，同时形成1.1 eV的CBO和零VBO。这种"电子堵、空穴通"的特性有效抑制了G-R电流，而价带连续性保障了光生空穴的无阻碍传输。

势垒位置优化
将势垒置于吸收层耗尽区边缘（距p-n结1.5 μm处）时，200 K下暗电流密度从3.7×10^-5 A/cm²（无势垒）降至4.8×10^-7 A/cm²，降幅达98.7%。此时量子效率保持85%以上，探测率从1.1×10¹¹ cm·Hz^1/2/W提升至1.3×10¹² cm·Hz^1/2/W。

结构参数影响
厚度实验显示0.1 μm势垒即可实现最佳性能平衡——过厚（>0.2 μm）会导致串联电阻增加；掺杂浓度优化表明5×10¹⁵ cm^?3可兼顾载流子输运与势垒效应。

工艺兼容性优势
研究还发现该势垒结构可缓解锌扩散工艺中的掺杂梯度问题。仿真显示，在存在扩散掺杂剖面时，势垒结构仍能保持暗电流降低1个数量级的优势，这对实际器件制备具有重要意义。

这项研究为变质InGaAs探测器性能提升提供了新思路：通过四元合金组分设计实现能带精准调控，突破传统势垒结构的VBO限制。优化的PBIN结构在200 K下展现出显著性能优势，为扩展短波红外探测范围（2.0-2.5 μm）提供了可靠解决方案。该设计框架可推广至其他晶格失配体系，对发展高性能红外探测器具有重要指导价值。