InAs/GaSb Ⅱ類超晶格在紅外探測(cè)器制備方面有著諸多的理論優(yōu)勢(shì),是現(xiàn)在國(guó)際上公認(rèn)的第三代紅外焦平面優(yōu)選材料體系之一。目前主流的InAs/GaSb Ⅱ類超晶格探測(cè)材料通常生長(zhǎng)在GaSb襯底,并且經(jīng)過(guò)十幾年的探索研究,InAs/GaSb Ⅱ類超晶格探測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,當(dāng)前報(bào)道的超晶格探測(cè)器件性能已經(jīng)與碲鎘汞探測(cè)器件相當(dāng)。國(guó)際上的許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種類型的超晶格焦平面器件,涵蓋了短波、中、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波、雙色、多色以及高溫、大規(guī)模等等,相關(guān)器件開(kāi)始工程應(yīng)用和產(chǎn)品制造,超晶格探測(cè)技術(shù)已成為新一代紅外探測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。不過(guò),盡管超晶格的理論性能要比碲鎘汞高一個(gè)數(shù)量級(jí),然而由于InAs/GaSb Ⅱ類超晶格面臨因其生長(zhǎng)溫度低及晶格失配大而導(dǎo)致表面原子擴(kuò)散系數(shù)小、擴(kuò)散長(zhǎng)度短、缺陷密度高、缺陷輔助隧穿電流高及少子壽命短等科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題,使得其性能與理論預(yù)期仍舊有一定差距。因此,為了不斷提高超晶格探測(cè)器件性能,獲得理論預(yù)期性能的超晶格探測(cè)器件,近年中科院上海技術(shù)物理研究所的超晶格研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始探索利用MBE技術(shù)在InAs襯底進(jìn)行InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格的生長(zhǎng)研究。InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格可以實(shí)現(xiàn)更高的生長(zhǎng)溫度,理論上更容易獲得低缺陷的超晶格外延層。更為重要的是,對(duì)于InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格,可以通過(guò)調(diào)節(jié)Ga(As)Sb中As的含量來(lái)調(diào)節(jié)外延超晶格層與襯底之間的失配,無(wú)需插入特定的界面層。并且,隨著紅外探測(cè)器往長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波發(fā)展,超晶格中InAs層厚度相應(yīng)增加,在InAs襯底上生長(zhǎng)超晶格則無(wú)需考慮由于InAs厚度增加而導(dǎo)致外延層與襯底之間的應(yīng)變,因此,利用MBE技術(shù)進(jìn)行InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格的生長(zhǎng),理論上可以實(shí)現(xiàn)更加高質(zhì)量的超晶格外延材料,對(duì)于超晶格紅外探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此,本論文著重對(duì)InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格材料缺陷和光電特性進(jìn)行了一系列深入研究。并且,論文還對(duì)新型超晶格雪崩光電探測(cè)器進(jìn)行了探索性研究。具體研究?jī)?nèi)容和進(jìn)展如下:1.InAs和GaSb體材料的缺陷特性研究。通過(guò)濕法化學(xué)腐蝕液組分以及配比的優(yōu)化,清晰揭示了InAs和GaSb體材料(100)晶面的腐蝕坑形貌,其腐蝕坑密度都在10~4量級(jí)。通過(guò)透射光譜測(cè)試,并對(duì)吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)變化進(jìn)行擬合分析,結(jié)果表明n型InAs襯底中自由電子對(duì)紅外輻射的吸收以電離雜質(zhì)散射機(jī)制為主。對(duì)不同厚度的InAs襯底進(jìn)行透射率測(cè)試,表明隨著厚度的減薄,透過(guò)率增加。當(dāng)厚度減薄到200μm左右時(shí),由于襯底和空氣層之間形成了法布里-珀羅諧振腔,導(dǎo)致透過(guò)率隨波長(zhǎng)變化產(chǎn)生了震蕩效應(yīng)。通過(guò)變溫透射光譜的測(cè)試,表明溫度的升高對(duì)InAs紅外吸收的影響不大。2.InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格材料光致發(fā)光特性研究。通過(guò)變溫PL譜的測(cè)試與分析發(fā)現(xiàn),在整個(gè)溫度區(qū)間,相似發(fā)光峰值波長(zhǎng)的新型InAs/Ga(As)Sb超晶格材料的半高全寬(FWHM)都比InAs/GaSb超晶格材料的窄并且隨溫度上升寬化速率更慢。另外,盡管隨溫度上升,FWHM變寬,所有材料的半峰寬都依然由非均勻部分占主導(dǎo),即主要與超晶格的勢(shì)阱寬度變化、內(nèi)部雜質(zhì)和界面粗糙度等因素有關(guān)。對(duì)PL積分強(qiáng)度隨溫度變化進(jìn)行擬合分析,表明InAs/Ga(As)Sb和InAs/GaSb Ⅱ類超晶格的發(fā)光峰積分強(qiáng)度都符合雙通道非輻射復(fù)合模型,擬合結(jié)果表明,相同波段新型InAs/Ga(As)Sb超晶格材料缺陷相關(guān)的非輻射復(fù)合通道對(duì)PL強(qiáng)度猝滅的貢獻(xiàn)有所降低,表明該新型超晶格材料缺陷濃度有所降低。3.InAs/Ga(As)Sb超晶格單元器件濕法腐蝕工藝研究。對(duì)InAs、GaSb二元化合物以及新型InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格材料的濕法腐蝕進(jìn)行了系統(tǒng)研究,對(duì)腐蝕工藝進(jìn)行了優(yōu)化。利用優(yōu)化腐蝕工藝得到了InAs/Ga(As)Sb超晶格材料光滑的腐蝕表面和陡直的側(cè)壁,表面粗糙度僅為1 nm,并制備了長(zhǎng)波InAs/Ga(As)Sb超晶格單元器件,在81 K下,50%截止波長(zhǎng)為12μm,峰值電流響應(yīng)率為1.6A/W,對(duì)應(yīng)的峰值量子效率(QE)為38%,暗電流密度為5.7×10~-33 A/cm~2,表面電阻率為4.4×10~3Ωcm,相較于優(yōu)化前提高了八倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明磷酸系腐蝕液可以獲得低表面漏電的長(zhǎng)波InAs/Ga(As)Sb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器。4.InAs/GaSb超晶格紅外雪崩光電探測(cè)器的探索性研究。介紹了雪崩光電探測(cè)器(APD)的特點(diǎn)、應(yīng)用以及制備中紅外APD的困難并闡述了InAs/GaSb超晶格APD的研究現(xiàn)狀和用以制備中紅外APD的理論優(yōu)勢(shì)。最后利用磷酸系濕法腐蝕工藝制備了超晶格APD單元器件,經(jīng)過(guò)I-V測(cè)試發(fā)現(xiàn)在偏壓為-11 V左右,增益達(dá)到120;通過(guò)噪聲頻譜的測(cè)試擬合,提取出白噪聲,計(jì)算獲得在偏壓為-5 V的時(shí)候,過(guò)剩噪聲因子F=2.2。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB34
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 紅外輻射
    1.2 紅外探測(cè)器
    1.3 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器
        1.3.1 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格探測(cè)器原理及優(yōu)勢(shì)
        1.3.2 InAs/GaSb Ⅱ類超晶格探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀
    1.4 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器
    1.5 本論文的研究目的和內(nèi)容構(gòu)成
第二章 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格材料生長(zhǎng)及實(shí)驗(yàn)方法
    2.1 分子束外延技術(shù)
    2.2 MBE生長(zhǎng)過(guò)程及其特點(diǎn)
    2.3 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格材料生長(zhǎng)
    2.4 材料表征方法
        2.4.1 光學(xué)干涉顯微鏡
        2.4.2 原子力顯微鏡
        2.4.3 掃描電子顯微鏡
        2.4.4 X射線衍射儀
        2.4.5 紅外透射光譜測(cè)試系統(tǒng)
        2.4.6 霍爾測(cè)試
    2.5 單元器件測(cè)試與表征
        2.5.1 相對(duì)響應(yīng)光譜測(cè)試
        2.5.2 I-V測(cè)試
        2.5.3 黑體探測(cè)率測(cè)試
    2.6 本章小結(jié)
第三章 InAs和GaSb體材料缺陷特性研究
    3.1 缺陷類型以及對(duì)器件性能的影響
    3.2 InAs和GaSb體材料位錯(cuò)腐蝕坑特性
        3.2.1 GaSb體材料位錯(cuò)腐蝕坑研究
        3.2.2 InAs體材料位錯(cuò)腐蝕坑研究
        3.2.3 InAs/GaSb超晶格位錯(cuò)腐蝕坑研究
    3.3 InAs體材料電學(xué)和光學(xué)特性
        3.3.1 InAs襯底霍爾測(cè)試
        3.3.2 InAs襯底透射光譜測(cè)試與分析
    3.4 本章小結(jié)
第四章 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格材料光致發(fā)光特性研究
    4.1 紅外光致發(fā)光譜方法和理論
        4.1.1 光致發(fā)光譜測(cè)試原理
        4.1.2 基于傅里葉變換紅外光譜儀的紅外PL光譜方法
        4.1.3 光致發(fā)光譜擬合分析
    4.2 超晶格材料紅外光致發(fā)光性質(zhì)
        4.2.1 材料的結(jié)構(gòu)與表征
        4.2.2 超晶格變溫PL譜研究
    4.3 本章小結(jié)
第五章 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格單元器件濕法腐蝕研究
    5.1 單元器件流片工藝
    5.2 表面氧化研究
    5.3 濕法腐蝕液研究
        5.3.1 InAs體材料表面濕法腐蝕
        5.3.2 GaSb體材料表面濕法腐蝕
        5.3.3 InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格表面濕法腐蝕
    5.4 長(zhǎng)波InAs/Ga（As）Sb Ⅱ類超晶格單元器件制備及特性
        5.4.1 材料結(jié)構(gòu)
        5.4.2 材料表征
        5.4.3 單元器件制備以及測(cè)試分析
        5.4.4 變溫I-V測(cè)試分析
        5.4.5 暗電流擬合分析
    5.5 本章小結(jié)
第六章 超晶格中紅外雪崩光電探測(cè)器
    6.1 雪崩光電探測(cè)器介紹
    6.2 InAs/GaSb超晶格雪崩光電探測(cè)器
        6.2.1 InAs/GaSb超晶格雪崩光電探測(cè)器研究現(xiàn)狀
        6.2.2 InAs/GaSb超晶格雪崩光電探測(cè)器結(jié)構(gòu)以及制備
        6.2.3 I-V測(cè)試與分析
        6.2.4 噪聲測(cè)試與分析
    6.3 本章小結(jié)
第七章 總結(jié)與展望
    7.1 總結(jié)
    7.2 展望
參考文獻(xiàn)
致謝
作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果

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