GaAs-AlGaAs量子阱材料微觀結(jié)構(gòu)與器件特性分析研究.pdf

1、GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測(cè)器(Quantum Well Infrared Photodetectors, QWIP)是先進(jìn)薄膜生長(zhǎng)技術(shù)與微電子學(xué)相結(jié)合的新型紅外探測(cè)器。具有材料均勻性好,生長(zhǎng)制備工藝成熟,價(jià)格低,抗輻照性能好,及易于實(shí)現(xiàn)多色探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于生物醫(yī)療成像,空間資源檢測(cè),軍事領(lǐng)域現(xiàn)代化高科技武器裝備、地雷探測(cè)、紅外制導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、反坦克導(dǎo)彈熱瞄鏡等領(lǐng)域,已成為紅外探測(cè)器的主流技術(shù)。但其較大的暗電流,較低的量

2、子效率與過(guò)窄的頻帶寬成為其快速發(fā)展的瓶頸。本文以GaAs/AlGaAs QWIP單元探測(cè)器為應(yīng)用背景,從相關(guān)器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)入手,使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)進(jìn)行量子阱材料生長(zhǎng),設(shè)計(jì) QWIP樣品性能參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),利用高分辨透射掃描電鏡(High resolution transmissionelectron microscopy, HRT

3、EM)對(duì)器件展開(kāi)微觀結(jié)構(gòu)分析研究,采用室溫光致熒光譜(Room Temperature Photoluminescence,RT-PL)對(duì)樣品進(jìn)行勢(shì)壘與勢(shì)阱 PL譜測(cè)試,以對(duì)其微觀能級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析研究。旨在提高光電流,減小暗電流,建立器件微觀結(jié)構(gòu)與宏觀表征的關(guān)系,為實(shí)現(xiàn) QWIP能級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　?、挪捎肕OCVD生長(zhǎng)30~50周期300μm×300μm臺(tái)面,峰值響應(yīng)波長(zhǎng)8.5μm G

4、aAs/Al0.3Ga0.7As量子阱樣品數(shù)件,其電極壓焊點(diǎn)面積大小與位置不同。對(duì)器件樣品進(jìn)行宏觀光電特性測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:樣品暗電流,噪聲,響應(yīng)特性,伏安特性及探測(cè)率等呈現(xiàn)正負(fù)偏壓的不對(duì)稱性。結(jié)合樣品的微觀結(jié)構(gòu)形貌,研究結(jié)果表明:樣品界面位錯(cuò)穿過(guò)區(qū)域靠近AlGaAs層附近襯度區(qū)域的加寬,致使 Al原子從 AlGaAs層析出,導(dǎo)致穿透位錯(cuò)造成相位分離,這是引起量子阱光電性能變差的主要原因;材料生長(zhǎng)工藝自身引起不同生長(zhǎng)次序中GaAs與A

5、lGaAs界面不對(duì)稱性與摻雜元素的擴(kuò)散,及GaAs薄膜中大量缺陷,其中包括有生長(zhǎng)技術(shù)或摻雜帶來(lái)的點(diǎn)缺陷及由襯底異質(zhì)外延晶格失配引起的緩沖層缺陷等。這都是引起器件宏觀特性曲線出現(xiàn)不對(duì)稱的根本原因;樣品器件位于臺(tái)面的電極造成器件結(jié)區(qū)暗電流增加,表面及壓焊點(diǎn)電極漏電也有一定影響。
　?、聘鶕?jù)GaAs/AlGaAs QWIP的結(jié)構(gòu)參數(shù),建立了QWIP理想勢(shì)阱模型。通過(guò)對(duì) QWIP樣品解理后側(cè)向剖面 QW進(jìn)行 PL測(cè)試,結(jié)合勢(shì)阱與勢(shì)壘發(fā)光峰

6、的位置,根據(jù)理 GaAs/AlGaAs勢(shì)阱模型與量子阱能帶理論進(jìn)行數(shù)值擬合運(yùn)算,獲得 QWIP樣品的勢(shì)壘組分、量子阱寬度等各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù),并由此得到量子阱子帶間躍遷能量,及其相應(yīng)的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:器件結(jié)構(gòu)中勢(shì)阱寬度偏離設(shè)計(jì)值1~2個(gè)原子層,勢(shì)壘中 Al組分偏離設(shè)計(jì)值1％~2%。雖然實(shí)際值相對(duì)于設(shè)計(jì)值有一定偏差,但該工作有利于防止偏離設(shè)計(jì)值的晶片流入器件制備工序,另一方面能夠促使改進(jìn) MOCVD生長(zhǎng)工藝使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7、　?、墙WIP熒光量子阱響應(yīng)波長(zhǎng)能帶模型,確定 QWIP峰值響應(yīng)波長(zhǎng)與勢(shì)壘中 Al組分關(guān)系,建立器件微觀結(jié)構(gòu)形貌與宏觀光電特性關(guān)系。采用MOCVD制備 Al摩爾含量為0.23,0.32實(shí)驗(yàn)樣品。光譜測(cè)試結(jié)果顯示:3#,4#樣品峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為8.36μm,7.58μm,與據(jù)薛定諤方程得到峰值波長(zhǎng)9.672μm,7.928μm誤差分別為15.6%,4.6%。研究結(jié)果表明:鋁原子在GaAs與AlxGa1-xAs界面處擴(kuò)散促使 GaAs量子

8、阱由標(biāo)準(zhǔn)方勢(shì)阱變?yōu)橛嗾`差決定的形狀,導(dǎo)致勢(shì)阱降低,寬度增加,子能級(jí)分布變化,響應(yīng)波長(zhǎng)藍(lán)移。說(shuō)明光激發(fā)載流子正從束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)向束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)躍遷方式轉(zhuǎn)變。HRTEM技術(shù)分析發(fā)現(xiàn):位錯(cuò)引起 GaAs與AlGaAs晶格不匹配及量子阱材料生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)材料控制精度不夠是造成3#樣品誤差過(guò)大主要原因。說(shuō)明勢(shì)壘中 Al組分減小致使量子阱子帶間距離逐漸縮小,導(dǎo)致峰值響應(yīng)波長(zhǎng)紅移。RT-PL實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相符合,說(shuō)明勢(shì)壘中 Al組分可修飾 QWI

9、P光電特性。
　　⑷確定QWIP響應(yīng)波長(zhǎng)與GaAs勢(shì)阱寬度關(guān)系。根據(jù)理想二維方勢(shì)阱模型設(shè)計(jì)器件量子阱能級(jí)結(jié)構(gòu),采用MOCVD生長(zhǎng)阱寬為4.5nm,5.5nm GaAs/Al0.3Ga0.7As QWIP樣品,利用傅里葉光譜儀對(duì)樣品進(jìn)行77K液氮溫度光譜響應(yīng)及勢(shì)阱與勢(shì)壘的PL測(cè)試。光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:5#,6#樣品峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為8.39μm,7.69μm,與據(jù)理想二維方勢(shì)阱模型獲得8.924μm,8.051μm誤差為6.36%,4.7

10、%;同時(shí)響應(yīng)光譜半高寬從27.3%上升至44.2%。而 PL實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示:其與二維方勢(shì)阱模型及薛定諤方程得到的結(jié)果一致。結(jié)合 HRTEM研究樣品微觀結(jié)構(gòu)形貌,結(jié)果說(shuō)明:若加寬勢(shì)阱,則光譜響應(yīng)峰向高能方向漂移,及響應(yīng)光譜半高寬上升。說(shuō)明基態(tài)E1相對(duì)于勢(shì)阱底而下降,導(dǎo)致子帶間距增大,峰值波長(zhǎng)藍(lán)移,且在藍(lán)移過(guò)程中發(fā)生半高寬增加的現(xiàn)象。而激發(fā)態(tài) E2逐漸從勢(shì)阱口內(nèi)向勢(shì)阱口外移動(dòng),即光激發(fā)載流子躍遷形式從束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷方式向束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)