带间跃迁量子阱短波红外探测器的研究

论文摘要

红外探测技术是人眼在更广阔电磁波段的补充和扩展,可以帮助人类探索未知宇宙,观察“黑暗”世界。从诞生至今,红外探测技术在各个领域都发挥着重要作用。其中,短波红外技术由于具有利用反射光成像和穿透雾、霾、尘的特性而获得了人们的广泛关注,并被逐渐应用至成像、遥感、光通信、气体监测和医学诊断等领域。,目前,市场上常见的短波红外探测器主要是基于InGaAS、HgCdTe、InSb和PbS等材料体系,其中最主要的当属InGaAs。通过生长高In组分的InGaAs体材料,InGaAs基短波红外探测器的波长得到了有效扩展。然而,在这个过程中,暗电流的抑制（为了获得较高的信噪比）变得极具挑战性。此外,研究表明,相比于传统短波红外探测技术,大于1.7 μm的扩展波长短波红外技术对夜间辐射和黑体辐射的响应更加宽泛。为此,对扩展波长短波红外探测器开展研究是十分有意义的工作。本课题组在前期研究中发现,在InGaAs/GaAs量子阱等多种材料体系中均存在着PN结对低维半导体中局域载流子的高效抽取作用,同时该现象被证实可用于材料吸收系数的提高。一般来说,低维半导体结构中较小带隙的材料可以实现更长波长的光吸收,带隙较大的材料可以保证器件较低的暗电流,而利用PN结的高效抽取作用则可以确保低维结构器件较高的量子效率和探测率。本论文通过选取不同的材料体系,实现了带间跃迁量子阱红外探测器（IQWIP）原型器件的首次制备及性能测试,从而在实验上验证了上述思路。考虑到GaAs基材料在材料生长和工艺加工方面都非常成熟,而InP基材料是目前光电子和微电子领域应用较广的材料体系,我们选取了这两种材料作为本论文研究的材料基础。由于GaAs基和InP基短波红外探测器都涉及InGaAs材料,我们首先研究了InGaAs单层膜的生长参数。通过生长温度、As压等对InGaAs晶体质量影响的研究,我们确定了该材料的最佳生长条件。另外,我们也对包含有InGaAs的PN结进行了参数的选取及优化,并得到了最优的PN结参数。基于InGaAs优化的结果,我们在GaAs衬底上制备了 20个周期的应变InGaAs/GaAs带间跃迁多量子阱近红外探测器原型器件。光谱响应测试结果表明器件的响应波长位于896nm。此外,根据905 nm激光器光电流测试的结果,我们得到:器件具有31%的外量子效率,1.43×1013 cm（?）的峰值探测率,9.52×10-7 A/cm2的暗电流密度（在-1 V处）,以及3.7×104 cm-1的吸收系数。以上实验结果表明,PN结结合量子阱设计可以得到性能良好的红外探测器器件（这是实验上首次制备出IQWIP原型器件）。在上述基础上,我们又设计了 10个周期结构类似、有效吸收层厚度更小的InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器,其性能测试结果表明随着吸收层厚度减小,器件暗电流减小,材料吸收系数增大。利用GaAs基体系做了基本的验证之后,我们在更具实用性的InP基材料体系也做了进一步实验验证。通过能带计算,我们确定了对应于响应波长为1.8μμm的器件结构,并在InP衬底上生长了 10个周期的InAs/InGaAs（InGaAs/InAlAs）带间跃迁量子阱短波红外探测器原型器件。InAs/InGaAs器件响应光谱测试结果表明,该器件响应波长为1.92μm,外量子效率为32%,器件在-0.01 V处的暗电流密度为5.77×10-5 A/cm2,峰值探测率达到2.5×1010 cm（?）。根据整体的设计思路,PN结对低维半导体中的局域载流子具有高效抽取作用,因此在InAs/InGaAs的基础上,再加入InAlAs材料可以实现在不牺牲器件性能的条件下得到更低的暗电流。InAs/InGaAs/InAlAs带间跃迁复合量子阱红外探测器原型器件实现了 1.93 μm的波长响应,-0.01 V处的暗电流密度降低至1.14×106 A/cmcm2,峰值探测率维持在D*=1.81×1010cm（?）,量子效率为23%。这些实验结果再一次验证了 PN结对局域载流子的高效抽取作用,也证明了基于PN结和量子阱结构可以制备出高性能的红外探测器,这对光电转换器件的结构设计有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 红外探测技术发展史
•   1.2 红外探测器分类
•   1.3 红外探测器的性能参数
•     1.3.1 响应度和量子效率
•     1.3.2 噪声和暗电流
•     1.3.3 噪声等效功率和探测率
•     1.3.4 光子探测器的极限性能
•   1.4 红外光子探测器研究现状
•     1.4.1 光电二极管
•     1.4.2 碲镉汞（HgCdTe）探测器
•     1.4.3 二类超晶格红外探测器（T2SLs）
•     1.4.4 量子阱红外探测器（QWIP）
•   1.5 带间跃迁量子阱红外探测器（IQWIP）
•   1.6 本论文的研究内容、意义和结构
• 第2章 分子束外延设备及测试方法介绍
•   2.0 引言
•   2.1 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy,MBE）
•     2.1.1 分子束外延生长原理
•     2.1.2 分子束外延设备介绍
•   2.2 计算和测试方法
•     2.2.1 有效质量近似模型
•     2.2.2 高分辨X射线衍射仪
•     2.2.3 原子力显微镜
•     2.2.4 光致发光光谱测试系统
•     2.2.5 傅里叶变换红外光谱仪
•     2.2.6 半导体参数分析仪
•   2.3 本章小结
• 第3章 InGaAs单晶膜的生长
•   3.0 引言
•   3.1 InP衬底氧化膜脱附
•   3.2 InGaAs单层外延膜的生长
•     3.2.1 生长温度对InGaAs薄膜的影响
•     3.2.2 As压对InGaAs薄膜的影响
•   3.3 InGaAs PN结匹配的调试
•   3.4 本章小结
• 第4章 InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器原型器件的制备与表征
•   4.0 引言
•   4.1 InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器的结构设计
•   4.2 应变InGaAs/GaAs多量子阱结构材料外延和表征
•   4.3 InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器原型器件的制备
•   4.4 InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器原型器件的测试
•     4.4.1 暗电流和光电流（Dark current and photo current）
•     4.4.2 外量子效率（External quantum efficiency）
•     4.4.3 吸收系数（Absorption coefficient）
•     4.4.4 探测率（Specific detectivity）
•   4.5 与10个周期的InGaAs/GaAs带间跃迁量子阱红外探测器性能比较
•   4.6 本章小结
• 第5章 InP基带间跃迁量子阱红外探测器原型器件的制备与表征
•   5.0 引言
•   5.1 InAs/InGaAs带间跃迁多量子阱红外探测器的制备、表征与优化
•     5.1.1 InAs/InGaAs带间跃迁量子阱红外探测器的材料外延和性能表征
•     5.1.2 InAs/InGaAs带间跃迁量子阱红外探测器生长优化
•   5.2 InAs/InGaAs/InAlAs带间跃迁多量子阱红外探测器的材料外延和性能表征
•     5.2.1 InAs/InGaAs/InAlAs多量子阱结构的能带计算和材料外延
•     5.2.2 InAs/InGaAs/InAlAs复合多量子阱材料表征
•     5.2.3 InAs/InGaAs/InAlAs带间跃迁量子阱红外探测器原型器件的制备
•     5.2.4 InAs/InGaAs/InAlAs带间跃迁量子阱红外探测器原型器件的测试
•   5.3 本章小结
• 总结和展望
• 参考文献
• 个人简历及发表文章目录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘洁

导师: 陈弘

关键词: 红外探测器,带间跃迁,分子束外延,量子阱

来源: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

分类号: O471.1;TN215

总页数: 135

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