InAs-Ga(In)Sb超晶格長-遠波段紅外探測器研究.pdf

1、近三十年來，紅外探測器在軍事和民用等方面發(fā)展迅速。特別InAs/GaSbⅡ類超晶格顯示出優(yōu)越的性能，其能帶結構可調(0～0.8ev)，響應波長范圍廣，量子效率高，俄歇復合率低以及較小的暗電流，已成為第三代紅外焦平面探測器的優(yōu)選材料。
　　本文研究了具有響應波長可調的InAs/GaInSb超晶格紅外探測器，進行了材料生長的優(yōu)化以及結構表征。并制成光電導單元器件，進而對器件性能進行了研究。主要內容包括：
　　(1)我們使用Rib

2、er Compact21分子束外延設備，在GaAs(100)襯底上外延生長InAs/GaInSbⅡ類超晶格。對材料的生長參數(shù)進行了優(yōu)化，獲得較佳的生長溫度為：GaAs層600℃，緩沖層(GaSb)520℃，超晶格薄膜(InAs/GaInSb)390℃。/ⅤⅢ族束流比：Sb/Ga為3，As/In為10。按照優(yōu)化后的生長條件，生長了三類樣品。1類為 InAs/GaInSb(17ML/17ML)×30，2類為 InAs/GaInSb(17ML

3、/7ML)×30和InAs/GaInSb(7ML/17ML)×30，3類為 InAs/GaInSb(7ML/7ML)×30，緩沖層均為0.8μm的GaSb。依據(jù)Empirical Tight-Binding Method經(jīng)驗勢函數(shù)方法設計的響應波長分別為20μm、12μm和8μm。不僅涵蓋了8～14μm在軍事上有重要應用的大氣窗口，而且使響應波段拓展到甚遠紅外波段，可用于深空探測。
　　利用原子力顯微鏡(AFM)對外延膜表面形貌觀

4、測獲得生長后原位退火溫度在475℃為佳。利用雙晶x射線衍射(DXRD)法和透射電子顯微鏡(TEM)觀測，對材料結構質量進行了表征分析，顯示超晶格界面平整、周期厚度均勻、結晶質量較高。所制備樣品的超晶格周期厚度依次為10.2nm、7.2nm和4.2nm，Ga1-xInxSb合金層中In的組分為0.2。掃描電子顯微鏡(SEM)測得材料厚度與成分不均勻性＜1.5％。
　　(2)在 MBE外延獲得高質量超晶格薄膜材料基礎上，本論文重點研究

5、了器件光刻工藝、電極制備工藝，成功制作了超晶格臺面光電導單元探測器件。
　　器件光刻工藝中刻蝕采用濕法刻蝕，確定了該材料體系最適合的腐蝕系為酒石酸系腐蝕液，其最佳配比為，酒石酸(4g)：H2O2(3.5ml)：HF(1.5ml)：H2O(400ml)。此腐蝕系適合InAs/GaInSb超晶格材料，刻蝕速率容易控制，刻蝕臺階清晰可見，下切效應小。金屬電極采用Au-Ni合金，并進行快速退火合金化處理以保證其歐姆接觸，退火溫度最佳為38

6、0℃。此時的I-V特性曲線為線性關系，說明已經(jīng)很好的合金化。若退火溫度過低，電極與材料之間的勢壘將使歐姆接觸效果不好；若退火溫度過高，則將損壞電極，無法達到歐姆接觸。理論上探討了探測器暗電流的機制。
　　(3)論文中對所研制的超晶格臺面光電導型單元探測器的探測性能進行了研究。測試分析了超晶格探測器的光電響應狀況和探測率 D*，分析了超晶格周期厚度對探測波長的影響。
　　利用傅立葉變換紅外光譜儀和低溫制冷系統(tǒng)，對器件工作溫度在