长波带间级联探测器结构设计

发布时间：2020-04-18 00:35

【摘要】：InAs/GaSb II类超晶格红外探测器自发明以来,以其能带结构灵活可调等特点成为红外探测领域研究的热点。通过对于InAs、GaSb层厚度的调节,其探测波长可以从近红外的3μm覆盖至30μm的极远红外。此外,成熟的III-V族材料生长技术也为生长制备高性能的红外探测器提供了条件。带间级联探测器正是基于InAs/GaSb II类超晶格吸收区的势垒型器件,利用了声子辅助弛豫、共振隧穿和势垒的阻挡作用。光生载流子在超晶格吸收区产生,由于势垒阻挡作用只能向弛豫区单方向移动,经声子辅助弛豫迅速进入隧穿区,再通过共振隧穿到达下一级超晶格吸收区价带。带间级联探测器中不存在故意掺杂的PN结,利用势垒阻挡作用实现载流子输运,能够有效抑制长波探测中的产生复合电流和隧穿电流;针对长波探测中载流子扩散长度较中波探测更短的问题,带间级联结构采用分立的多级吸收区结构,吸收区厚度小于载流子扩散长度,确保光生载流子正常收集,因此带间级联结构可用于制备高性能的长波红外探测器。本课题以研究长波带间级联探测器为目的,对长波带间级联探测器的能带结构进行设计和优化,并进行器件的制备和测试。主要研究内容如下:1.研究了多量子阱能带结构模型和计算,采用包络函数近似下的二带模型和传输矩阵方法用于长波带间级联多量子阱弛豫区的计算。进一步考虑了衬底应变对长波带间级联材料能带位置的影响,并给出了声子散射速率计算模型,为进一步优化器件结构打下理论基础。2.在计算模型基础上研究了各层材料厚度对于基态能级、相邻势阱基态能级之差的影响,并给出了长波带间级联探测器能带结构方案。在保证光生载流子在弛豫区中隧穿几率的前提下,提出了周期性量子阱弛豫区结构以拓展弛豫区厚度,降低吸收区中的电场强度,抑制产生复合电流和隧穿电流。3.通过本课题组的MBE等设备,制备了长波带间级联探测器单元器件,并对器件进行了光谱响应测试、黑体响应测试以及暗电流测试。实验测得该器件80K下50%截止波长为11.5μm,100%截止波长超过13μm,该器件在10.5μm处量子效率达到了20%,是目前带间级联结构在80K下所获得的波长最长的红外探测器。对暗电流测试结果进行拟合,分析了不同温度下暗电流的组成。
【图文】：

第一章 引言3.22A/W，量子效率为 51%。在 81K 至 185K 下分别进行了电烙铁和人脸成像如图 1-4 所示[15]，，该器件相较 2003 年有长足进步。2010 年美国喷气推进实验室（JetPropulsion Laboratory）报道了 1K 1K 规模的 InAs/GaSb II 类超晶格长波焦平面探测器如图 1-5 所示，其探测率达到 1.1 1011cmHz1/2/W[16]。

探测器如图 1-5 所示，其探测率达到 1.1 1011cmHz1/2/W[16]。图 1-3 液氮温度下电烙铁（左）和人脸（右）热成像图（2003）[14]
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN215

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本文编号：2631500