InAs-GaSbⅡ類(lèi)超晶格材料生長(zhǎng)及其紅外探測(cè)器性能.pdf

1、紅外探測(cè)器在軍事和民用上都有著極其重要的應(yīng)用，如：夜視、導(dǎo)彈制導(dǎo)、潛艇探潛、醫(yī)療診斷、污染監(jiān)測(cè)、礦藏探測(cè)等。隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代紅外探測(cè)器要求具備高探測(cè)率、高響應(yīng)速度、多色探測(cè)、大規(guī)模面陣等特點(diǎn)?；贖gCdTe、InSb、PbS、QWIPs、QDIPs等材料的第一代和第二代紅外探測(cè)器已經(jīng)難以滿(mǎn)足第三代紅外探測(cè)系統(tǒng)的要求。近年來(lái)，由于InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格材料在實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)，尤其是長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波及多色紅外探測(cè)方面，顯示

2、出諸多優(yōu)越性能，如帶隙可調(diào)(0~0.8eV)、電子有效質(zhì)量大、均勻性好，使其成為第三代紅外探測(cè)器的優(yōu)選材料。本文一方面致力于利用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)高質(zhì)量的InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格材料，研制高量子效率、高器件阻抗的長(zhǎng)波與甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。另一方面，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的器件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光生載流子的偏壓調(diào)制，研制低光學(xué)串?dāng)_的多色紅外探測(cè)器與紅外寬帶光譜探測(cè)器。
　　優(yōu)化了GaSb基InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格材料分子束外延生長(zhǎng)工藝參數(shù)(Ⅴ/

3、Ⅲ束流比、生長(zhǎng)速率及生長(zhǎng)溫度等)。對(duì)比分析了采用表面遷移率增強(qiáng)方法與體材料生長(zhǎng)法生長(zhǎng)雙InSb界面對(duì)超晶格結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響。得到超晶格應(yīng)變平衡生長(zhǎng)時(shí)所需InSb厚度與InAs厚度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:nInSb=0.11559nInAs。HRTEM結(jié)果顯示超晶格界面平整，周期厚度均勻，體內(nèi)無(wú)明顯缺陷。DXRD與AFM結(jié)果顯示，優(yōu)化后的超晶格材料一級(jí)衛(wèi)星峰半峰寬FWHM小于20arcsec，10×10μm2范圍內(nèi)材料表面均方根粗糙度僅為1.5左

4、右，顯示出所制備的超晶格材料具有極高的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和結(jié)晶質(zhì)量。
　　在超晶格探測(cè)器截止波長(zhǎng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)控制InAs/GaSb超晶格阱壘層厚度改變超晶格中電子波函數(shù)交疊程度，調(diào)節(jié)了InAs/GaSb超晶格中的能帶。當(dāng)厚度分別為8/8、10/8、12/8、13/7、14/7、15/7、16/7及17/8時(shí)，實(shí)現(xiàn)了截止波長(zhǎng)分別在4.5μm、8μm、10μm、12μm、14μm、15μm、17μm、19μm及21μm波段的探測(cè)響應(yīng)。此外，研究

5、了在不改變InAs/GaSb超晶格阱壘層厚度的情況下，通過(guò)在勢(shì)壘層GaSb中不同位置插入InSb層，實(shí)現(xiàn)探測(cè)截止波長(zhǎng)擴(kuò)展的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，利用此方法制備的15MLInAs/7MLGaSb超晶格探測(cè)器的截止波長(zhǎng)已由15μm拓展至18μm。
　　基于光生載流子在n-i-p器件中輸運(yùn)機(jī)制的模擬分析，提出了通過(guò)增大I區(qū)厚度和對(duì)I區(qū)摻雜改性以及漸變摻雜提高器件量子效率的方法。理論分析表明：n-i-p結(jié)構(gòu)器件的量子效率要高于p-i-n結(jié)構(gòu)

6、器件，且隨器件厚度的增加，該效應(yīng)更加明顯；在n-i-p器件中，I區(qū)厚度在一定范圍內(nèi)，器件量子效率隨I區(qū)厚度增加而線(xiàn)性增加，量子效率理論極限值可達(dá)70％。實(shí)驗(yàn)研究表明：器件I區(qū)摻雜改性后，使光生少數(shù)載流子從空穴變?yōu)殡娮?，有效提高了器件量子效率。其中，n-M-π-p長(zhǎng)波器件(截止波長(zhǎng)14μm，I區(qū)厚度2μm)I區(qū)Be摻雜濃度為1.5×1016cm-3時(shí)，量子效率最高值為35%，遠(yuǎn)高于未摻雜改性器件的量子效率(15%)；n-M-π-p甚長(zhǎng)波器

7、件(截止波長(zhǎng)21μm，I區(qū)厚度3μm)I區(qū)Be摻雜濃度為2.3×1016cm-3時(shí)，量子效率最大值為55%，遠(yuǎn)高于未摻雜改性器件量子效率(30%)；進(jìn)一步地對(duì)上述甚長(zhǎng)波器件不同區(qū)域采用漸變摻雜，使其量子效率從55%提高至66%。
　　通過(guò)模擬分析n-i-p器件結(jié)構(gòu)中體暗電流與表面漏電流機(jī)制，提出了抑制各部分暗電流的方法以提高器件阻抗性能。通過(guò)制備不同尺寸大小的器件，分析其I-V特性，揭示了器件在不同工作溫區(qū)暗電流的主導(dǎo)機(jī)制。通過(guò)在

8、長(zhǎng)波和甚長(zhǎng)波n-i-p器件中引入M型超晶格勢(shì)壘層，有效抑制了器件中的隧穿暗電流、產(chǎn)生-復(fù)合暗電流與表面漏電流，且最優(yōu)化的M結(jié)構(gòu)勢(shì)壘超晶格為18MLInAs/5MLGaSb/5AlSb/5GaSb。通過(guò)研究器件不同鈍化工藝下的I-V特性，發(fā)現(xiàn)采用SiO2鈍化方法能更有效抑制n-M-π-p結(jié)構(gòu)器件中的表面漏電流，從而提高了器件的阻抗。優(yōu)化后的長(zhǎng)波(14μm)器件和甚長(zhǎng)波(21μm)器件阻抗最大值分別為75Ωcm2與6Ωcm2，峰值探測(cè)率分別

9、為1.9×1011cmHz1/2W-1與3.33×1010cmHz1/2W-1。
　　通過(guò)設(shè)計(jì)生長(zhǎng)不同的器件結(jié)構(gòu)，成功制備了偏壓調(diào)制的低串?dāng)_中波/長(zhǎng)波雙色紅外探測(cè)器和中波/長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波三色紅外探測(cè)器以及寬帶紅外光譜響應(yīng)探測(cè)器。設(shè)計(jì)制備了基于NIPIN-NIP結(jié)構(gòu)的中波/長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波超晶格三色紅外探測(cè)器。通過(guò)對(duì)三色器件I區(qū)進(jìn)行摻雜改性，在偏壓調(diào)制下，有效控制了器件中光生載流子輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了低光學(xué)串?dāng)_的三色光譜響應(yīng)。77K下，中波5.3