inassb nBn中波红外探测器

摘要

中波红外光电探测技术在航空航天，军事国防，医疗卫生等多个行业有着广泛的应用，其在红外侦查，预警，导弹防御等军事装备领域收到了国际严格管控限制。近年来，红外光电探测技术的水平正逐步提高，应用范围和场景也日益扩大，所以对于红外探测器综合性能的要求也越来越高，探测率更高、响应速度更快，探测识别的波段范围更广等成为目前主要研究目标。为了实现这一目标，红外光电探测器发展到目前已经经历了三代。传统的红外光电材料如PbS、PtSi、InSb 等难以实现波长范围的拓展，而 QWIPs由于子带间跃迁机理导致吸收效率低，目前最成熟的HgCdTe在吸收光谱向甚长波红外波段拓展时也遇到很大困难。锑化物半导体具有窄带隙能带特性，其结构设计灵活，近年来外延生长技术获得突破，是中红外波段光电器件的理想选择。所以目前国际上正快速发展锑化物这一材料体系，更是以其中6.1Å为重点，除去各种二元三元或者多元化合物，还发展了各种低维微纳结构II类超晶格材料。但是由于传统pin结构光电探测器本身物理机制的限制，导致其器件暗电流水平有一个限制。所以现在人们很多时候不止在研究新型材料，还在研究新型器件结构来降低器件噪声，提高器件性能。2006 年，nBn单势垒新型探测器作为其中一种可以抑制器件暗电流的探测器类型被提出。这类新型探测器是采用增加宽禁带势垒的方法来抑制探测器GR暗电流从而提高器件综合性能。本论文主要是利用先进的分子束外延技术实现高可重复性高质量的材料外延生长并进行相关器件制备，得到高质量高性能的InAsSb nBn结构中波光电探测器，主要研究内容以及成果如下：

（1）系统深入的研究了GaSb以及InAsSb，AlAsSb等化合物的分子束外延的条件，优化了生长温度，V族元素比例，V/III族元素比例等生长参数，成功将材料的晶格应变控制在约400ppm（50arcsec）以内，原子力显微镜（AFM）图像数据RMS粗糙度<2Å，X射线各材料的半峰宽控制在40arcsec以内。

（2）从暗电流成分方面研究了nBn结构与pin结构在暗电流方面的不同，深入了解了nBn结构由于引入宽禁带势垒层而带来了可以抑制GR暗电流这一优势，而GR暗电流是pin结构红外光电探测器在低温下暗电流的主要组成部分。

（3）成功研制了InAsSbnBn结构中波红外光电探测器单元器件，在-0.2V偏压下，量子效率能够达到60%以上，300K时探测器的探测率可以到109cmHz1/2/W量级以上。通过变温I-V曲线发现在低于180K时，pin器件中GR暗电流逐渐超过扩散电流从而成为主要成分，而nBn单势垒结构红外光电探测器中GR暗电流得到了很好的抑制，起到了理论模型中nBn结构应有的优势。

第1章红外探测技术概述 1

1.1红外光简述 1

1.1.1电磁波与红外光 1

1.1.2 黑体辐射 2

1.1.3大气窗口 3

1.2红外探测器 4

1.2.1红外探测器历史 4

1.2.2红外探测技术 8

1.2.3红外探测的优势及应用 11

1.3 结论 12

第2章 nBn型红外探测器 13

2.1nBn器件结构及原理 13

2.2 nBn结构的优势 15

2.3 nBn器件研究现状 16

2.3.1InAsSb器件研究现状 16

2.3.2其他材料nBn器件现状 17

2.4 nBn器件性能参数 18

2.4.1响应率 18

2.4.2量子效率 19

2.4.3探测器噪声 19

2.4.4噪声等效功率和探测率 20

第3章器件制备及表征方法 21

3.1样品的制备 21

3.1.1分子束外延技术 21

3.1.2Gen20MBE系统 23

3.1.3MBE生长校准技术 25

3.2探测器制备工艺 27

3.3外延材料表征方法 31

3.3.1高分辨率X射线衍射 31

3.3.2原子力显微镜 32

3.3.3透射电子显微镜 33

3.3.4光致发光谱 34

3.4单元器件表征方法 34

3.4.1低温I-V测试系统 35

3.4.2光谱响应测试 35

3.4.3黑体响应测试系统 36

第4章 nBn器件外延优化及单元器件性能分析 37

4.1GaSb缓冲层生长 37

4.2InAsSb吸收层外延生长 38

4.2.1生长温度优化 38

4.2.2V/III族元素比优化 39

4.2.3V族元素比例优化 40

4.3AlAsSb势垒层外延生长 41

4.4 器件整体外延生长 43

4.5 单元器件性能测试与分析 44

4.5.1 I-V测试及暗电流分析 44

4.5.2 量子效率及探测率分析 46

第5章总结和展望 51

参考文献 53

致谢 59