短波紅外ingaas探測器功能簡析

1、紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在0.75～1000μm之間，其在軍事、通訊、探測、醫(yī)療等方面有廣泛的應用。目前對紅外線的分類還沒有統(tǒng)一的標準，各個專業(yè)根據(jù)應用的需要，有著自己的一套分類體系。一般使用者對紅外線的分類為（1）近紅外(NIRIRADIN)：波長在0.75～1.4μm；（2）短波紅外(SWIRIRBDIN)：波長在1.4～3μm；（3）中波紅外(MWIRIRCDIN)：波長在3～8μm；（4）長波紅外(LWIR

2、IRCDIN)：波長在8～15μm；（5）遠紅外(FIR)：波長在15～1000μm。根據(jù)Maxwell電磁方程，紅外線在空氣等物質內部和界面?zhèn)鞑l(fā)生吸收、反射和透射等，其中吸收是影響傳播的最主要因素?？諝庵械囊恍怏w分子如CO2、H2O等有著與其物質分子結構相對應的特征吸收譜線，對某些波長的紅外線產(chǎn)生強烈地吸收，而對另外一些紅外線則不產(chǎn)生吸收，從而表現(xiàn)出很高的透射率。大氣中對紅外輻射吸收比較少的波段稱為“大氣窗口”，主要包括三個：1

3、～3μm，3～5μm，8～14μm，圖1描述了紅外線在大氣中傳播的透射曲線。紅外探測器紅外探測器從1800年英國W.Herschel發(fā)現(xiàn)紅外線到現(xiàn)在已有二百多年歷史。人們通過不斷地技術開發(fā)和創(chuàng)新，使紅外應用從軍事國防迅速朝著資源勘探、氣象預報、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學診治、海洋研究等關系到國計民生的各個領域擴展。在這些應用中紅外探測又顯得特別重要，因為要更好地研究紅外線必須先對其進行探測。理論上任何形態(tài)的物質只要在紅外輻射作用下發(fā)生某種性質或物理

4、量的變化，都可以被用來進行紅外探測。目前來說按照工作機理不同紅外探測器常被分為熱探測器和光子型探測器。熱探測器利用紅外光的熱效應及材料對溫度的敏感性來測量紅外輻射，其原理是熱敏材料吸收紅外光后溫度升高，利用材料的溫度敏感特性將溫度的變化轉變?yōu)殡娦盘?。目前主要利用溫差電效應、熱釋電效應、金屬、氣體等熱脹冷縮現(xiàn)象、超導體在Tc附近升高溫度電阻急劇變化等等。熱探測的響應速度較慢，但其波長響應范圍寬。光子型探測器是利用光電效應原理設計和制作的，

5、光電效應可分為光電子發(fā)射效應、光電導效應、光生伏特效應和光磁電效應。光電子發(fā)射效應是指在光輻射作用下產(chǎn)生的光電子逸出被照射材料的表面，稱為外時間研究和應用，基本上形成了HgCdTe、InGaAs領軍，GaSb、PtSi等其它材料百花齊放的格局。隨著材料工藝和集成電路研究低不斷深入，采用HgCdTe和InGaAs等材料制造的短波紅外焦平面探測器已經(jīng)商品化并已廣泛應用于多種領域。相對于HgCdTe來說，InGaAs更容易生長質量控制和工藝處

6、理，并且有對應的大直徑和高質量IIIV族襯底，因此InGaAs紅外焦平面探測器在短波紅外波段的應用具有不可估量的前景。InGaAs紅外探測器紅外探測器三元系材料InxGa1xAs是由GaAs和InAs形成的混合固溶體，為閃鋅礦結構，屬于直接帶隙半導體，其能帶隨合金的變化而變化，如圖3所示。InxGa1xAs的禁帶寬度從InAs的0.35eV(3.5μm)到GaAs的1.42eV(0.87μm)，晶格常數(shù)由InAs的6.06到GaAs的5

7、.65。其中與InP襯底(晶格常數(shù)為5.87)晶格匹配的In0.53Ga0.47As禁帶寬度為0.74eV(1.7μm)，目前已經(jīng)在0.9～1.7μm波段得到廣泛的應用，如光纖通信，夜視等。如果要探測更長一點的波段，比如檢測農(nóng)作物中水分的吸收峰1.9μm，就需要增加InxGa1xAs中In的組分，不過隨之帶來的問題是沒有合適的襯底與其晶格匹配。一種有效的方法是采用InP襯底，通過在其上淀積緩沖層形成“贗襯底”，然后再生長InxGa1xA

8、s，不過這樣依然無法得到非常高性能的材料，存在著很多位錯。目前有很多基于此的研究工作，也取得了一些可喜的結果。InGaAs器件器件目前采用InxGa1xAs材料的探測器有很多，如InGaAs光伏探測器，InGaAs雪崩探測器，InGaAs肖特基探測器和量子阱探測器等等。優(yōu)化的探測器應該滿足以下幾點：輕摻雜吸收層；電極無暗電流貢獻；吸收層表面不暴露；光生載流子遠離表面等。異質結NpP和Pnn光伏探測器可以滿足以上幾個條件，其結構在設計時簡

9、單，生長也方便?；贗nxGa1xAs吸收層的NpP或Pnn光伏探測器，有時也稱InxGa1xAsPIN探測器。PIN探測器材料可以通過MOCVD或者MBE等外延手段生長而成，器件目前主要有兩種不同結構：臺面型結構和平面型結構。臺面型器件是在原位摻雜的PiN結構上通過刻蝕來隔離相鄰的器件，這種方式的優(yōu)點是工藝簡單，重復性好，相鄰器件之間的串音比較少；缺點是刻蝕使得器件側面失去保護，器件的暗電流和噪聲特性變差，因而需要有效的臺面鈍化技術，