GaAs基紅外探測(cè)及光子頻率上轉(zhuǎn)換器件研究.pdf

1、GaAs材料具備出色的電學(xué)和光學(xué)性能，其材料制備手段也日臻成熟，在紅外領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。利用一系列不同摻雜濃度的GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)，本文系統(tǒng)研究了量子阱中的摻雜濃度對(duì)QWIP各性能參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果都與QWIP的標(biāo)準(zhǔn)模型的理論結(jié)果符合很好，驗(yàn)證了模型的有效性。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言QWIP的背景噪聲限制溫度Tblip和器件噪聲限制探測(cè)率的最優(yōu)化條件分別為Ef=2kBT以及Ef=kBTblip，這兩個(gè)優(yōu)化條件都得

2、到了很好的驗(yàn)證。隨后，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和工作溫度，對(duì)QWIP中的摻雜濃度提出了建議。 除了多量子阱結(jié)構(gòu)以外，也可以利用GaAs材料制成 p-I-n探測(cè)器，利用其直接帶隙實(shí)現(xiàn)光探測(cè)。但是GaAs帶隙較大，為了實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)1 μm以上的近紅外探測(cè)，必須在GaAs中摻入In或者Sb以降低其帶隙。而GaAs襯底和InGaAs之間的晶格失配隨In或者Sb含量的增加而迅速加劇。所幸的是，在InGaAs和GaAsSb中摻入一定量的N可以減小其晶

3、格常數(shù)，從而減小它和GaAs襯底之間的晶格失配。成功制備了探測(cè)波長(zhǎng)0.75-1.3 μm的 GaNAsSb/GaAs p-I-n近紅外探測(cè)器，XRD搖擺曲線測(cè)量表明GaNAsSb工作層和GaAs襯底之間的晶格失配極小。 紅外探測(cè)與成像的另外一個(gè)方法就是通過(guò)光子頻率上轉(zhuǎn)換器件將低頻率的光子轉(zhuǎn)換為高頻率光子，隨后再用技術(shù)成熟、性能優(yōu)異的硅電荷耦合器件(Si CCD)進(jìn)行探測(cè)。近紅外上轉(zhuǎn)換的一個(gè)改進(jìn)思路是全GaAs方案，即利用成熟的G

4、aAs材料生長(zhǎng)技術(shù)，將于GaAs晶格匹配的探測(cè)器和LED直接串聯(lián)生長(zhǎng)集成為上轉(zhuǎn)換器件。為了證明這一思路，將GaNAsSb/GaAs探測(cè)器和商用GaAs/AlGaAs LED進(jìn)行串聯(lián)集成，實(shí)現(xiàn)了光子頻率上轉(zhuǎn)換。研究表明在GaNAsSb/GaAs p-I-n結(jié)構(gòu)中存在著中等帶隙As反位缺陷，其碰撞電離系數(shù)也隨之很高，導(dǎo)致了雪崩增益的產(chǎn)生，上轉(zhuǎn)換器件因此有著很高的上轉(zhuǎn)換效率。-7 V偏壓時(shí)上轉(zhuǎn)換效率為0.048 W/W，高于任何現(xiàn)有的無(wú)信號(hào)放