量子阱紅外探測器優(yōu)化與性能極限研究.pdf

1、量子阱紅外探測器(QWIP)是一種基于量子阱子帶間躍遷的半導體器件，具有工藝設備成熟，材料均勻性好的優(yōu)點，已經(jīng)成功應用在共聚焦平面探測、高頻探測等多個領(lǐng)域。針對QWIP單元器件的優(yōu)化一直都是QWIP探測器研究的重點。本文從GaAs/AlxGaAs1-x材料體系的典型QWIP設計結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論了器件參數(shù)和工作條件對于背景限制溫度（TLIP）和探測器的品質(zhì)因數(shù)之一探測率的優(yōu)化;并研究了不同工作模式下，QWIP探測器的可能獲得的性能極限。

2、r>　　首先研究了針對QwIP的TBLIP優(yōu)化。此前普遍接受的獲得最高TBLIP的摻雜濃度優(yōu)化條件為費米能級滿足等式EF=kB TBLIP，其中B是玻爾茲曼常數(shù)。獲得該結(jié)論使用了忽略溫度對費米能級的影響近似條件，然而該近似條件在QWIP真實工作狀態(tài)中并不是嚴格成立。因此本論文嚴格考慮溫度和摻雜濃度對費米能級共同影響，數(shù)值模擬了不同摻雜濃度對TBLIP的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明摻雜濃度降低TBLIP升高，并不存在TBLIP最優(yōu)化摻雜濃度。通

3、過實驗測量了一個系列不同摻雜濃度的9微米QWIP樣品的TBLIP，結(jié)果表明修正后模型得到的數(shù)值模擬結(jié)果與實驗符合得更好，驗證了理論分析的正確性。使用Ershov的增益模型分析了探測器增益與TBLIP的關(guān)系，提出通過降低俘獲幾率pc，減少摻雜濃度，減少周期數(shù)可以進一步優(yōu)化提高TBLIP。
　　隨后研究了針對QWIP的探測率的優(yōu)化設計。嚴格考慮溫度和摻雜濃度對費米能級共同影響，從理論上將此前普遍接受的探測率的最大的摻雜費米能級條件“E

4、F=2kBT法則”修正為EF=1.37 kBT，修正后在暗電流噪聲限制模式下的QWIP的探測率理論值比修正前提高2.8％。通過實驗測量不同摻雜濃度典型設計QWIP系列樣品探測率，證明了通過改變摻雜濃度實現(xiàn)暗電流模式下探測率優(yōu)化的可行性。進一步利用自洽求解薛定諤方程和泊松方程的方法，模擬摻雜輪廓對量子阱電子分布以及對費米能級的影響，完善了通過設計費米能級進一步提高探測率的優(yōu)化方法。另外，分別針對探測器在背景噪聲限制模式以及暗電流噪聲限制工

5、作模式下，討論了俘獲幾率和量子阱周期數(shù)對器件探測率的影響。通過改變調(diào)控器件俘獲幾率pc對D*進行優(yōu)化，并針對兩種不同工作模式下D*優(yōu)化模式差別，提出可以采用折中工作點平衡方法?？紤]到面向FPA應用的探測率，提出在保證高均勻性同時，對于低光通量以及低光學孔徑的環(huán)境，優(yōu)先優(yōu)化探測率;此外適當增加摻雜濃度提高光吸收率有利于FPA整體性能的優(yōu)化方案。
　　最后針對強背景、強信號光通量的應用（例如激光光譜應用場景），提出利用強光信號對暗電流

6、噪聲的抑制作用，理論上一定信噪比條件下，可以提高器件工作溫度，達到近室溫工作的信號噪聲限制的性能極限。根據(jù)典型設計QWIP的電子能態(tài)分布的特點，利用了2D+3D電子能態(tài)模型分析了近室溫QWIP條件下費米能級的隨溫度和摻雜濃度依賴關(guān)系，并通過實驗測量了近室溫QWIP暗電流，驗證了該分析方法適用于近室溫工作條件下不同摻雜濃度的器件設計。另外，本論文還模擬了QWIP在能夠承受的光強條件下達到信號噪聲限制，特別是不同探測波長條件下對信號光功率密