GaAs同質(zhì)結(jié)遠(yuǎn)紅外探測器的諧振腔設(shè)計.pdf

1、本文的主要內(nèi)容是針對n型GaAs遠(yuǎn)紅外同質(zhì)結(jié)探測器的一個高效的諧振腔設(shè)計的研究。遠(yuǎn)紅外半導(dǎo)體探測器在天體物理等領(lǐng)域上的應(yīng)用上變得越來越重要，因此對n型GaAs遠(yuǎn)紅外同質(zhì)結(jié)探測器性能提高與優(yōu)化的研究具有重要的意義。
　　本文中首先介紹了研究紅外探測器常用的實驗儀器，即基于傅立葉變換光譜學(xué)的傅立葉紅外光譜儀以及可在計算機(jī)系統(tǒng)下自動讀取和記錄數(shù)據(jù)的電流電壓源。接著，介紹了本征或摻雜的GaAs在遠(yuǎn)紅外波段計算其介電系數(shù)的方法以及研究探測器

2、所需要的計算多層膜的光學(xué)吸收的理論方法-菲涅耳系數(shù)矩陣方法。實驗結(jié)果得到的反射譜，透射譜與應(yīng)用該種方法計算得到的反射譜和透射譜符合得非常好，證明了該理論方法的可行性。其次是對同質(zhì)結(jié)探測器這一類探測器作了基本的介紹，包括基本探測原理、量子效率、暗電流和探測器的基本結(jié)構(gòu)等。然而總體而言同質(zhì)結(jié)遠(yuǎn)紅外探測器的總量子效率普遍偏低，離實用化的要求還有一定的差距。因此，如何進(jìn)一步提升同質(zhì)結(jié)遠(yuǎn)紅外探測器的總量子效率是一個亟待解決的問題。
　　針對

3、于n型GaAs遠(yuǎn)紅外同質(zhì)結(jié)探測器，我們之前的工作討論了提高探測器量子效率的方法：
　　(1)優(yōu)化探測器的主體結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)。
　　(2)添加適合的底部反射鏡。經(jīng)過主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之后，探測器的最大量子效率達(dá)到4.9％，大約是未優(yōu)化之前的三倍。緊接著在優(yōu)化好的主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上討論和比較兩種底部反射鏡結(jié)構(gòu)：GaAs底部反射鏡和Gold層底部反射鏡。優(yōu)化GaAs底部反射鏡之后，得到最大的量子效率是13.2%，大約是沒有反射鏡的量子效

4、率(4.9%)的三倍。而優(yōu)化了Gold層底部反射鏡之后同質(zhì)結(jié)探測器最大的量子效率可以達(dá)到了18.8%（因為Gold層底部反射鏡的反射率更大），是原來沒有反射鏡的探測器量子效率（4.9%）的四倍，并且遠(yuǎn)大于曾經(jīng)報道過的p-GaAs或者 Si同質(zhì)結(jié)探測器的量子效率。但是這個量子效率值仍然不能令人滿意，而且還沒有專門針對頂部反射鏡做出優(yōu)化。于是我們本篇論文的主要工作就是針對在優(yōu)化好的主體結(jié)構(gòu)和Gold層底部反射鏡（合稱“半優(yōu)化的探測器”）的基

5、礎(chǔ)上討論如何添加一個理想的頂部反射鏡，從而進(jìn)一步大幅度提高其量子效率。我們首先從最簡單的情況，即原生的或等效的單介質(zhì)層作為頂部反射鏡的情況討論起，發(fā)現(xiàn)不論該單介質(zhì)層的折射率值和厚度為何值，均不能同時滿足所需的反射系數(shù)和匹配的相移，從而不能成為一個理想的頂部鏡。自然地，其后我們提出了一個復(fù)雜的，不能等效成為單層膜的結(jié)構(gòu)，即本征GaAs二維周期倒金字塔結(jié)構(gòu)來作為頂部反射鏡應(yīng)用到“半優(yōu)化的探測器”上，一系列的模擬計算表明，可以同時獲得理想頂部

6、鏡所要求的反射系數(shù)和匹配相移，從而使整個探測器的量子效率高達(dá)29.0%，比“半優(yōu)化的探測器”的18.8%提高了一半。接著在和單層膜作為頂部鏡的情況作比較的基礎(chǔ)上，討論了金字塔結(jié)構(gòu)可以作為理想頂部鏡的原因。并在最后提出了一個試探性的工藝方案來嘗試實現(xiàn)這一頂部鏡的結(jié)構(gòu)。以上這部分內(nèi)容將在第五章講述。
　　在第六章中我們還針對本征GaAs二維周期倒金字塔結(jié)構(gòu)所可能存在的一些問題作了一點初步的討論，提出并簡單討論了兩種改進(jìn)的結(jié)構(gòu)。希望所有