InAs-Ga(In)Sb超晶格長(zhǎng)-遠(yuǎn)波段紅外探測(cè)器研究.pdf

1、近三十年來(lái)，紅外探測(cè)器在軍事和民用等方面發(fā)展迅速。特別InAs/GaSbⅡ類(lèi)超晶格顯示出優(yōu)越的性能，其能帶結(jié)構(gòu)可調(diào)(0～0.8ev)，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍廣，量子效率高，俄歇復(fù)合率低以及較小的暗電流，已成為第三代紅外焦平面探測(cè)器的優(yōu)選材料。
　　本文研究了具有響應(yīng)波長(zhǎng)可調(diào)的InAs/GaInSb超晶格紅外探測(cè)器，進(jìn)行了材料生長(zhǎng)的優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)表征。并制成光電導(dǎo)單元器件，進(jìn)而對(duì)器件性能進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容包括：
　　(1)我們使用Rib

2、er Compact21分子束外延設(shè)備，在GaAs(100)襯底上外延生長(zhǎng)InAs/GaInSbⅡ類(lèi)超晶格。對(duì)材料的生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得較佳的生長(zhǎng)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(zhǎng)條件，生長(zhǎng)了三類(lèi)樣品。1類(lèi)為 InAs/GaInSb(17ML/17ML)×30，2類(lèi)為 InAs/GaInSb(17ML

3、/7ML)×30和InAs/GaInSb(7ML/17ML)×30，3類(lèi)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(yàn)勢(shì)函數(shù)方法設(shè)計(jì)的響應(yīng)波長(zhǎng)分別為20μm、12μm和8μm。不僅涵蓋了8～14μm在軍事上有重要應(yīng)用的大氣窗口，而且使響應(yīng)波段拓展到甚遠(yuǎn)紅外波段，可用于深空探測(cè)。
　　利用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)外延膜表面形貌觀(guān)

4、測(cè)獲得生長(zhǎng)后原位退火溫度在475℃為佳。利用雙晶x射線(xiàn)衍射(DXRD)法和透射電子顯微鏡(TEM)觀(guān)測(cè)，對(duì)材料結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行了表征分析，顯示超晶格界面平整、周期厚度均勻、結(jié)晶質(zhì)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(cè)得材料厚度與成分不均勻性＜1.5％。
　　(2)在 MBE外延獲得高質(zhì)量超晶格薄膜材料基礎(chǔ)上，本論文重點(diǎn)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(tái)面光電導(dǎo)單元探測(cè)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(tái)階清晰可見(jiàn)，下切效應(yīng)小。金屬電極采用Au-Ni合金，并進(jìn)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(shí)的I-V特性曲線(xiàn)為線(xiàn)性關(guān)系，說(shuō)明已經(jīng)很好的合金化。若退火溫度過(guò)低，電極與材料之間的勢(shì)壘將使歐姆接觸效果不好；若退火溫度過(guò)高，則將損壞電極，無(wú)法達(dá)到歐姆接觸。理論上探討了探測(cè)器暗電流的機(jī)制。
　　(3)論文中對(duì)所研制的超晶格臺(tái)面光電導(dǎo)型單元探測(cè)器的探測(cè)性能進(jìn)行了研究。測(cè)試分析了超晶格探測(cè)器的光電響應(yīng)狀況和探測(cè)率 D*，分析了超晶格周期厚度對(duì)探測(cè)波長(zhǎng)的影響。
　　利用傅立葉變換紅外光譜儀和低溫制冷系統(tǒng)，對(duì)器件工作溫度在