InAs/GaSb超晶格光伏型红外探测器研究

【摘要】：InAs/Ga(In)Sb超晶格具有第二类型能带排列方式，它的能带结构可以通过改变InAs层和GaSb层的厚度或者设计合适的势垒层得到调整，从而使得这个材料体系的禁带宽度有着很大的调整余地，理论上可以通过调整它的禁带宽度使得探测器的探测截止波长在2-30μm之间。 本文对InAs/GaSb二类超晶格红外探测材料与器件进行了理论和实验研究。利用包络函数近似的8带k·p理论建模，应用有限元法对InAs/GaSb超晶格红外探测的的能带结构进行了计算，得出了超晶格能带在不同组分厚度，周期数以及InAs与GaSb厚度比时的值，并分析能带随着上述因素的变化趋势。超晶格周期在20-30个周期之间时，探测器的探测截止波长随周期数的增加而增加，30-70周期之间，看不到探测截止波长的增加。随着超晶格周期厚度的增加，探测截止波长总趋势是增加的，但是这种增加呈现周期性震荡，在一个小周期内，随着超晶格周期厚度的增加，探测截止波长反而有少量的减少。随着超晶格中的InAs层的增加，探测器的探测截止波长变长。 用掩模、光刻、腐蚀、蒸镀、压焊以及分装等标准半导体加工工艺制作了PIN红外探测器件，探索了器件制作工艺参数，着重研究了不同腐蚀液体系对材料体系的腐蚀效果和腐蚀速率。酒石酸体系的腐蚀液中，HF浓度增加，腐蚀液对超晶格的腐蚀速率也急剧的增加，但是当400mL的腐蚀液中HF的含量超过0.4mL时，HF的浓度增加不能再增加腐蚀液的腐蚀速度，可见HF只是起到催化剂的作用，并不作为反应物质影响反应过程。H_2O_2浓度对腐蚀速率的影响是正向的，随着H_2O_2浓度的增加腐蚀速率呈线性增加。但是，H_2O_2浓度太高会氧化光刻胶，这样就会影响腐蚀出的台面图形，不利于后续器件制作的过程。通过对比发现选用4mL的H_2O_2浓度图形最佳。酒石酸+盐酸体系在室温下对InAs的腐蚀速率为56nm/Min，对GaSb的腐蚀速率为340nm/Min，对7ML/7ML超晶格腐蚀速率为96nm/Min，对14ML/7ML的超晶格材料的腐蚀速率为74nm/Min。 通过对器件I-V特性测试分析得出，在外置电压V-0.5V时，器件处于负向饱和状态，在这个阶段，主要是由于扩散到过渡区的少子在pn结的结区电场作用下穿过过渡区，形成扩散电流。此时的反向抽取电流就是反向饱和电流，大小为-J_0=-2.3nA。当反偏电压-0.5VV_(bia)0V时，电流随着电压呈指数形式增长，一般情况下，这里的电流为产生暗电流，此时，热产生电流起到暗电流的主导作用。当外加电压0VV_(bia)Va时，正向电压增加了耗尽层中的载流子浓度，所以此时耗尽层中，电子和空穴复合的机会增加。通过复合使载流子浓度重新达到热平衡，这些额外由于正向电流带来的载流子无法越过势垒，而通过产生—复合中心相互复合而消失。 通过对器件的暗电流谱和黑体辐射下光电响应实验结果分析得出，在λ=3.6μm时，35K的测试温度下所辐射到器件光敏面能量全部吸收时，所制作的两个器件的探测率D*分别为3.0×10~(14) cmHz~(1/2W)和1.5×10~(14) cmHz~(1/2W)。通过对器件的C-V特性曲线的分析得出两器件的开启电压分别为0.1V和0.5V。 【关键词】：超晶格 红外探测器 InAs/GaSb
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN215
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-20
• 1.1 课题背景及研究意义9-10
• 1.2 研究历史10-12
• 1.3 InAs/GaSb 超晶格红外探测器研究现状12-17
• 1.4 材料的优值17-18
• 1.4.1 探测截止波长17
• 1.4.2 响应率17
• 1.4.3 量子效率17-18
• 1.4.4 探测率18
• 1.4.5 动态阻抗与探测面积乘积 R0A18
• 1.5 本文的研究目的、意义和主要研究内容18-20
• 1.5.1 研究目的和意义18-19
• 1.5.2 本文的主要研究内容19-20
• 第2章 材料制备与分析、测试方法20-28
• 2.1 材料生长设备（MBE）20-23
• 2.2 湿法刻蚀制备 pin 光伏型红外探测器23-24
• 2.2.1 光刻机23
• 2.2.2 台阶仪23-24
• 2.3 测试分析设备24-28
• 2.3.1 半导体测试仪24-26
• 2.3.2 傅里叶红外光谱仪（FTIR）26-27
• 2.3.3 X 射线光电子能谱（XPS）仪27-28
• 第3章 超晶格材料的能带设计28-36
• 3.1 实验原理28-31
• 3.2 实验结果31-34
• 3.2.1 不同周期对截止波长的影响31
• 3.2.2 不同周期厚度对截止波长的影响31-33
• 3.2.3 不同 GaSb/InAs 厚度比对吸收波长的影响33-34
• 3.3 InAs/GaSb 价带阶的确定34-35
• 3.4 本章小结35-36
• 第4章 光伏型红外探测器的器件制作36-48
• 4.1 pin 型器件工作机理36-37
• 4.2 光伏型红外探测材料的 MBE 制备37-39
• 4.3 器件制造过程39-47
• 4.3.1 实验步骤39-40
• 4.3.2 主要实验内容40-47
• 4.4 本章小结47-48
• 第5章 器件性能测试与分析48-64
• 5.1 InAs/GaSb 超晶格光伏型红外探测器的电流-电压（I-V）特性48-55
• 5.1.1 I-V 测试原理48-49
• 5.1.2 器件的 I-V 测试结果与分析49-55
• 5.2 器件的暗电流谱测试结果与分析55-57
• 5.3 器件的 C-V 特性研究57-60
• 5.3.1 pn 结的 C-V 特性测试原理57-58
• 5.3.2 器件的 C-V 测试结果和分析58-60
• 5.4 黑体辐射下器件的光电响应60-63
• 5.5 本章小结63-64
• 结论64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69

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