Ⅱ型超晶格紅外探測(cè)性能研究.pdf

1、InAs/GaSbII類(lèi)超晶格材料體系以其禁帶寬度連續(xù)可調(diào)、高電子有效質(zhì)量、更低的俄歇復(fù)合率、成熟的III-V族材料生長(zhǎng)與器件工藝等優(yōu)勢(shì)成為第三代紅外光子探測(cè)技術(shù)最具潛力的研究對(duì)象。本文的研究?jī)?nèi)容主要包括II類(lèi)InAs/GaSb超晶格材料能帶模擬運(yùn)算、超晶格材料的生長(zhǎng)制備及結(jié)構(gòu)性能表征、II類(lèi)InAs/GaSb超晶格單元光伏型紅外探測(cè)器的制備及探測(cè)性能表征。
　　理論模擬運(yùn)算表明:在InAs/GaSb(mML/nML)超晶格材料中

2、,InAs與GaSb兩種材料的周期厚度(m與n的值)對(duì)體系的禁帶寬度有不同的影響。固定GaSb層周期厚度為8ML,隨著InAs層周期從4ML升高至16ML,超晶格的禁帶寬度發(fā)生較大變化,探測(cè)截止波長(zhǎng)隨之從2.5μm升高至14μm,涵蓋了短波、中波、長(zhǎng)波三個(gè)大氣窗口;反之固定InAs層周期厚度為8ML,而將GaSb層周期從4ML升高至16ML,超晶格的禁帶寬度變化并不明顯,探測(cè)截止波長(zhǎng)逐漸下降不足1μm;因此在超晶格材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,若想

3、獲得響應(yīng)波長(zhǎng)不同的材料體系,需要改變InAs層的厚度,而適當(dāng)調(diào)節(jié)GaSb層周期厚度以保證較低的應(yīng)變和較高的結(jié)晶質(zhì)量。
　　基于能帶模擬運(yùn)算結(jié)果,采用分子束外延設(shè)備生長(zhǎng)制備了響應(yīng)波長(zhǎng)分別為短、中、長(zhǎng)波的幾種不同的InAs/GaSb超晶格,結(jié)構(gòu)性能測(cè)試分析表明,6個(gè)樣品的周期厚度與設(shè)計(jì)值的差距很小,不均勻性小于1％,應(yīng)變量均低于10-3的數(shù)量級(jí),基本可以認(rèn)為是完全弛豫的共格匹配,而超晶格零級(jí)峰的半縫寬(FWHM)均為弧秒級(jí),位錯(cuò)密度低

4、,結(jié)晶質(zhì)量很好;對(duì)樣品表面進(jìn)行的AFM測(cè)試也說(shuō)明材料具有極高的結(jié)晶質(zhì)量,均方根粗糙度均小于0.6nm;PL譜測(cè)試顯示短、中、長(zhǎng)波的超晶格材料發(fā)光峰分別位于2.855μm、4.368μm、10.077μm處,與理論模擬分析結(jié)果較為吻合,為后續(xù)的探測(cè)器件制造提供了科學(xué)依據(jù)。
　　結(jié)合光刻工藝研究了磷酸/檸檬酸/雙氧水腐蝕液體系,最終確定腐蝕液配比為H3PO4:2mL/C6H8O7:1g/H2O2:5mL/H2O:400mL,控制對(duì)In

5、As、GaSb及超晶格材料的的腐蝕速率約為100nm/min時(shí),腐蝕界面光滑度高,下切效應(yīng)小;運(yùn)用TLM模型研究了不同退火條件下的接觸電阻率,最終獲得Ti/Au合金與InAs、GaSb兩種材料的歐姆接觸電阻率可以達(dá)到10-4和10-5Ω·cm2的數(shù)量級(jí);
　　單元器件的紅外探測(cè)性能測(cè)試表明,中波、長(zhǎng)波器件的探測(cè)截止波長(zhǎng)分別為4.5μm和14μm;77K下中波與長(zhǎng)波InAs/GaSbII類(lèi)超晶格紅外單元探測(cè)器的比探測(cè)率分別為2.37