量子阱紅外探測(cè)器優(yōu)化與性能極限研究.pdf

1、量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)是一種基于量子阱子帶間躍遷的半導(dǎo)體器件，具有工藝設(shè)備成熟，材料均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成功應(yīng)用在共聚焦平面探測(cè)、高頻探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。針對(duì)QWIP單元器件的優(yōu)化一直都是QWIP探測(cè)器研究的重點(diǎn)。本文從GaAs/AlxGaAs1-x材料體系的典型QWIP設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論了器件參數(shù)和工作條件對(duì)于背景限制溫度（TLIP）和探測(cè)器的品質(zhì)因數(shù)之一探測(cè)率的優(yōu)化;并研究了不同工作模式下，QWIP探測(cè)器的可能獲得的性能極限。

2、r>　　首先研究了針對(duì)QwIP的TBLIP優(yōu)化。此前普遍接受的獲得最高TBLIP的摻雜濃度優(yōu)化條件為費(fèi)米能級(jí)滿(mǎn)足等式EF=kB TBLIP，其中B是玻爾茲曼常數(shù)。獲得該結(jié)論使用了忽略溫度對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響近似條件，然而該近似條件在QWIP真實(shí)工作狀態(tài)中并不是嚴(yán)格成立。因此本論文嚴(yán)格考慮溫度和摻雜濃度對(duì)費(fèi)米能級(jí)共同影響，數(shù)值模擬了不同摻雜濃度對(duì)TBLIP的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明摻雜濃度降低TBLIP升高，并不存在TBLIP最優(yōu)化摻雜濃度。通

3、過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了一個(gè)系列不同摻雜濃度的9微米QWIP樣品的TBLIP，結(jié)果表明修正后模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合得更好，驗(yàn)證了理論分析的正確性。使用Ershov的增益模型分析了探測(cè)器增益與TBLIP的關(guān)系，提出通過(guò)降低俘獲幾率pc，減少摻雜濃度，減少周期數(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化提高TBLIP。
　　隨后研究了針對(duì)QWIP的探測(cè)率的優(yōu)化設(shè)計(jì)。嚴(yán)格考慮溫度和摻雜濃度對(duì)費(fèi)米能級(jí)共同影響，從理論上將此前普遍接受的探測(cè)率的最大的摻雜費(fèi)米能級(jí)條件“E

4、F=2kBT法則”修正為EF=1.37 kBT，修正后在暗電流噪聲限制模式下的QWIP的探測(cè)率理論值比修正前提高2.8％。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同摻雜濃度典型設(shè)計(jì)QWIP系列樣品探測(cè)率，證明了通過(guò)改變摻雜濃度實(shí)現(xiàn)暗電流模式下探測(cè)率優(yōu)化的可行性。進(jìn)一步利用自洽求解薛定諤方程和泊松方程的方法，模擬摻雜輪廓對(duì)量子阱電子分布以及對(duì)費(fèi)米能級(jí)的影響，完善了通過(guò)設(shè)計(jì)費(fèi)米能級(jí)進(jìn)一步提高探測(cè)率的優(yōu)化方法。另外，分別針對(duì)探測(cè)器在背景噪聲限制模式以及暗電流噪聲限制工

5、作模式下，討論了俘獲幾率和量子阱周期數(shù)對(duì)器件探測(cè)率的影響。通過(guò)改變調(diào)控器件俘獲幾率pc對(duì)D*進(jìn)行優(yōu)化，并針對(duì)兩種不同工作模式下D*優(yōu)化模式差別，提出可以采用折中工作點(diǎn)平衡方法?？紤]到面向FPA應(yīng)用的探測(cè)率，提出在保證高均勻性同時(shí)，對(duì)于低光通量以及低光學(xué)孔徑的環(huán)境，優(yōu)先優(yōu)化探測(cè)率;此外適當(dāng)增加摻雜濃度提高光吸收率有利于FPA整體性能的優(yōu)化方案。
　　最后針對(duì)強(qiáng)背景、強(qiáng)信號(hào)光通量的應(yīng)用（例如激光光譜應(yīng)用場(chǎng)景），提出利用強(qiáng)光信號(hào)對(duì)暗電流

6、噪聲的抑制作用，理論上一定信噪比條件下，可以提高器件工作溫度，達(dá)到近室溫工作的信號(hào)噪聲限制的性能極限。根據(jù)典型設(shè)計(jì)QWIP的電子能態(tài)分布的特點(diǎn)，利用了2D+3D電子能態(tài)模型分析了近室溫QWIP條件下費(fèi)米能級(jí)的隨溫度和摻雜濃度依賴(lài)關(guān)系，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了近室溫QWIP暗電流，驗(yàn)證了該分析方法適用于近室溫工作條件下不同摻雜濃度的器件設(shè)計(jì)。另外，本論文還模擬了QWIP在能夠承受的光強(qiáng)條件下達(dá)到信號(hào)噪聲限制，特別是不同探測(cè)波長(zhǎng)條件下對(duì)信號(hào)光功率密