Sb化物超晶格长波红外材料生长及探测器研究
发布时间：2020-04-15 11:39
【摘要】：长波(8-12μm)红外探测器在民用和军事领域都有着广泛应用,尤其是用于红外吊舱、导弹制导等重大装备的红外探测器已经被列为国际战略资源,受到严格管控。新一代的红外探测器需要具备高探测率、多色、多波段、大面阵、更小体积的特点。近年来,锑化物超晶格逐渐成为红外探测材料,特别是长波红外波段研究的焦点,其中,In As/GaSb Ⅱ类超晶格材料具有带隙可调、电子有效质量大、均匀性好等优点,其长波红外探测器在高温、均匀性方面逐渐超越HgCdTe探测器。最近几年,Ga-free(In As/In AsSb)型超晶格红外材料进入人们视野,相比于In As/GaSb超晶格,Ga-free(In As/In AsSb)超晶格材料中不含Ga元素,避免了在禁带中引入与Ga有关的缺陷能级,提高了超晶格的少子寿命,降低了Shockley-Read-Hall(SRH)机制引起的产生-复合(GR)暗电流,有效提高了红外探测器性能。本论文一方面致力于分子束外延技术制备高质量的Sb化物长波红外超晶格材料,另一方面制备出高量子效率、高R_0A的In As/In AsSb以及大面积均匀的In As/GaSb超晶格长波红外探测器。采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长PIN结构In As/In AsSb超晶格长波红外材料,研究了生长温度、生长速率、V/ⅡI束流比以及快门开关顺序对晶体质量、微观形貌的影响;使用Sb元素浸润法优化了超晶格界面,成功制备出高质量的28ML In As/7ML In AsSb长周期长波红外超晶格材料。材料表面平整,无缺陷点出现,20×20μm~2范围内材料表面均方根(RMS)粗糙度约1.3?,XRD显示超过5级的卫星峰,一级卫星峰半峰宽(FWHM)约80arcsec。通过优化生长条件以及衬底加热器参数,在4英寸GaSb衬底上制备了长波红外12ML In As/7ML GaSb超晶格材料,XRD显示超过6级卫星峰,一级峰FWHM约50 arcsec;中心到边缘处的XRD卫星峰位置一致,RMS粗糙度几乎无变化,约1.2?,说明In As/GaSb超晶格材料大面积生长的良好均匀性。采用ICP刻蚀、钝化等工艺,制作了In As/In AsSb超晶格PIN型长波红外单元探测器,有源区厚度为2μm。光谱响应曲线显示50%截止波长为8μm,量子效率为7%,-50m V偏压下暗电流为0.01A,零偏阻抗-面积乘积(R_0A)为0.07Ω.cm~2,探测率为4.61×109 cm.Hz1/2/W。制作了In As/GaSb PπMN型长波红外单元探测器,光谱响应曲线显示50%截止波长为10μm,峰值量子效率为32%,响应率为2.7A/W零偏阻抗-面积乘积(R_0A)为0.2Ω.cm~2,峰值的黑体探测率为8.77×1010cm.Hz1/2/W。
【图文】：
天、天文观测、环境检测资源开发等诸多领域有着十分广泛和重要的应这个波段包含信息众多，能够提供云层结构以及大气层温度分布等关键些信息对于其他光学波段具有很大的参考意义。红外探测器是红外整机系统的心脏，它把入射的红外辐射能转换为其的能量[6.7]，在光电子技术领域，凡是能把光辐射转换成另一种可以测量量的器件，统称为光探测器，光电探测器能够将光信号转化成电信号，状态下，光电探测器应该在工作波长处具有高灵敏度、高响应速度、低噪尺寸、低电压及高可靠性。红外技术的发展总与红外探测器的性能优化关，伴随着半导体材料生长和工艺技术的迅猛发展，红外技术也取得了进步，多种高灵敏红外探测器如：锑化铟 InSb、碲镉汞 HgCdTe 红外探继出现。国际上将红外探测器的发展分为三个阶段。目前，红外探测器入以大规模、大面阵、高分辨率、多波段、多色、小型化为特征的第三面探测器[8.9.]。，如图 1.2 所示为红外探测器的发展历程[10]
第 1 章 绪 论材料的均匀性好且有成熟的 III-V 族化合物半导体工艺。在结构设计中可以通增加势垒有效降低暗电流[23,24]当超晶格中一种材料的禁带能级完全包含在另种禁带能级时，称这类超晶格为 I 类超晶格。当两种材料的禁带能级互相不完包含是，则称为 II 类超晶格[25]。在 III-V 族半导体材料体系中，晶格常数非常接近 6.1 的材料体系成为 6 材料家族[26,27]。6.1 家族在半导体领域有着十分广泛的应用，，一般包括 In（a=6.0583 ），InSb（a=6.497 ），GaSb（a=6.0959 ），AlSb（a=601355 ）种半导体材料，其中晶格失配最大为 0.7%，可以形成不同组合的多种能带排结构，在材料外延上的制备相对简单，为电子和空穴能带的调制提供了选择在近几年GaSb衬底的制备技术以及分子束外延系统的发展技术逐渐成熟且广应用，使得生长锑化物的技术越来越成熟。如图 1.3（a）不同的化合物半导体料的晶格常数以及禁带宽度（b）展示了四种材料的禁带位置。从图中可以看出三种材料的禁带宽度从 0.41eV 到 1.7eV,适合设计短波和中波红外探测器。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN215
本文编号：2628511
【图文】：
天、天文观测、环境检测资源开发等诸多领域有着十分广泛和重要的应这个波段包含信息众多，能够提供云层结构以及大气层温度分布等关键些信息对于其他光学波段具有很大的参考意义。红外探测器是红外整机系统的心脏，它把入射的红外辐射能转换为其的能量[6.7]，在光电子技术领域，凡是能把光辐射转换成另一种可以测量量的器件，统称为光探测器，光电探测器能够将光信号转化成电信号，状态下，光电探测器应该在工作波长处具有高灵敏度、高响应速度、低噪尺寸、低电压及高可靠性。红外技术的发展总与红外探测器的性能优化关，伴随着半导体材料生长和工艺技术的迅猛发展，红外技术也取得了进步，多种高灵敏红外探测器如：锑化铟 InSb、碲镉汞 HgCdTe 红外探继出现。国际上将红外探测器的发展分为三个阶段。目前，红外探测器入以大规模、大面阵、高分辨率、多波段、多色、小型化为特征的第三面探测器[8.9.]。，如图 1.2 所示为红外探测器的发展历程[10]
第 1 章 绪 论材料的均匀性好且有成熟的 III-V 族化合物半导体工艺。在结构设计中可以通增加势垒有效降低暗电流[23,24]当超晶格中一种材料的禁带能级完全包含在另种禁带能级时，称这类超晶格为 I 类超晶格。当两种材料的禁带能级互相不完包含是，则称为 II 类超晶格[25]。在 III-V 族半导体材料体系中，晶格常数非常接近 6.1 的材料体系成为 6 材料家族[26,27]。6.1 家族在半导体领域有着十分广泛的应用，，一般包括 In（a=6.0583 ），InSb（a=6.497 ），GaSb（a=6.0959 ），AlSb（a=601355 ）种半导体材料，其中晶格失配最大为 0.7%，可以形成不同组合的多种能带排结构，在材料外延上的制备相对简单，为电子和空穴能带的调制提供了选择在近几年GaSb衬底的制备技术以及分子束外延系统的发展技术逐渐成熟且广应用，使得生长锑化物的技术越来越成熟。如图 1.3（a）不同的化合物半导体料的晶格常数以及禁带宽度（b）展示了四种材料的禁带位置。从图中可以看出三种材料的禁带宽度从 0.41eV 到 1.7eV,适合设计短波和中波红外探测器。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN215
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 王国伟;徐应强;牛智川;;新型低维结构锑化物红外探测器的研究与挑战[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2014年04期
2 解晓辉;廖清君;杨勇斌;马伟平;邢雯;陈昱;周诚;胡晓宁;;HgCdTe甚长波红外光伏器件的光电性能[J];红外与激光工程;2013年05期
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本文编号：2628511
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