本文關鍵詞：短波紅外InGaAs探測器輻照特性研究

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【摘要】：In Ga As材料很好的覆蓋了1~3μm的短波紅外大氣窗口,獨特的光譜特性使得短波紅外In Ga As探測器在航天遙感領域有著廣泛的應用。空間環(huán)境中存在著大量的高能粒子輻照,會引起光電探測器性能的退化甚至器件失效。本論文針對In Ga As探測器的航天遙感應用,對探測器的輻照效應進行了研究,為保障探測器在空間環(huán)境中的正常工作提供了參考。研究了微波反射光電導衰退法(μPCD)在材料少子壽命測試中的應用,討論了提取晶格匹配In0.53Ga0.47As層少子壽命的方法,為表征輻照對材料少子壽命的影響打下基礎;比較了ICPCVD和PECVD兩種鈍化方式延伸波長In0.83Ga0.17As器件的1/f噪聲特性,利用g-r噪聲的溫度特性提取出了缺陷能級,為通過低頻噪聲來表征輻照效應作了準備;對In0.53Ga0.47As和In0.83Ga0.17As器件進行了γ輻照實驗,采用了非原位和原位測試兩種方法,研究了輻照對器件性能的影響,分析了輻照前后暗電流機制的變化;研究了In0.83Ga0.17As材料和器件的質子輻照效應,觀察了輻照引起材料和器件性能的退化,分析了輻照對低頻噪聲機制的影響。探索了利用μPCD測試提取In0.53Ga0.47As材料的少子壽命。根據(jù)不同結構參數(shù)的多種材料的測試結果,分析得出樣品的電導及樣品距金屬平臺的距離會對測試信號大小產生顯著影響;在半絕緣襯底生長外延材料并盡量使得材料的電導低于40m S,以獲得有效測試信號。生長了nin型In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As雙異質結外延材料用于測試,獲得了有效信號,在假設In0.52Al0.48As層起到了很好的表面鈍化作用,通過信號衰減曲線擬合出的有效壽命即為In0.53Ga0.47As材料的少子壽命。在In0.83Ga0.17As探測器的低頻噪聲研究中,首先對兩種不同鈍化方式探測器的1/f噪聲特性進行了研究,發(fā)現(xiàn)與PECVD鈍化相比,ICPCVD的主要優(yōu)勢在于顯著提高側表面的質量并極大地抑制1/f噪聲;反偏下,PECVD和ICPCVD鈍化器件的1/f噪聲分別與偏壓成指數(shù)關系和冪次關系;隨著溫度的降低,ICPCVD鈍化器件的1/f噪聲下降的更快,這表明低溫下ICPCVD鈍化的優(yōu)勢更明顯。根據(jù)噪聲與器件尺寸的關系,推斷PECVD鈍化探測器的1/f噪聲主要來源于側表面,而ICPCVD鈍化探測器的主要來源于體內和上表面。還利用g-r噪聲的溫度特性,提取出了不同面積的PECVD鈍化器件中的缺陷能級:In Ga As層中導帶下0.28e V,In Al As層中價帶上0.39e V和0.59e V。對In0.53Ga0.47As探測器進行了非原位和原位測試的γ輻照實驗。在非原位測試實驗中,輻照劑量為100krad和300krad,都引起In0.53Ga0.47As器件暗電流明顯增大,增大的主要成分是擴散電流和分路電流;輻照后22h,暗電流減小了約40%,然后保持穩(wěn)定,至輻照后240h都基本沒有變化;根據(jù)不同溫度下的I-V曲線,推出輻照引起分路電流的增加?Ish∝exp(-0.43e V/k T);器件的響應光譜及通過C-V曲線提取的In Ga As層有效載流子濃度受輻照影響不大。在原位測試實驗中,發(fā)現(xiàn)在反向偏壓下10rad/s的輻照在器件中產生的光電流約為2n A;此外,輻照還會通過引入累積損傷導致暗電流增大,暗電流在輻照停止后的十幾分鐘內保持不變;當劑量率一定時,器件暗電流隨著輻照劑量的增加而增大,但增大的速度趨于變緩。當總劑量一定時,器件接受的輻照劑量率越大,其暗電流的增加越多。采用480krad的γ射線對In0.83Ga0.17As探測器進行了輻照,通過非原位測試發(fā)現(xiàn)輻照對器件的暗電流和響應光譜都基本沒有影響。研究了In0.83Ga0.17As探測器和材料的質子輻照效應,質子能量為2Me V,輻照通量為2×1013cm-2、1×1014cm-2、5×1014cm-2和1×1015cm-2。輻照后器件的暗電流、低頻噪聲、探測率和量子效率以及材料In Al As層和In Ga As層的PL譜峰值強度都發(fā)生了明顯退化,但退化程度并不單調的隨通量的增加而加重,推斷這是由于輻照過程中不僅僅有位移效應引起缺陷濃度增加,還有“輻照引入的排序效應”導致缺陷濃度減小。輻照結束后,器件的暗電流和低頻噪聲都有小幅的恢復。輻照前后器件的暗電流密度都與P/A比的關系不大,表明輻照在器件中主要引起了體損傷;隨著溫度的降低,輻照后暗電流的下降要比輻照前慢很多,使得低溫下輻照引起暗電流的退化要更顯著。噪聲機制分析表明輻照導致器件的白噪聲、1/f噪聲和g-r噪聲都增加。PL譜測試中觀察到材料In Ga As層中的輻照損傷比In Al As層更為嚴重,推斷由此導致了隨著波長增加到In Al As的吸收限附近,器件量子效率的退化程度逐漸加重,之后退化程度基本不變。
【關鍵詞】：短波紅外 InGaAs 航天遙感 γ輻照 質子輻照
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN215
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-30
• 1.1 紅外探測器的發(fā)展及其航天遙感應用12-16
• 1.1.1 紅外探測器的發(fā)展12-14
• 1.1.2 紅外探測器的航天遙感應用14-16
• 1.2 航天遙感用半導體器件的輻照效應16-26
• 1.2.1 空間輻照環(huán)境16-18
• 1.2.2 半導體器件的輻照效應18-26
• 1.3 航天應用短波紅外InGaAs探測器發(fā)展26-29
• 1.4 本論文的研究目的和主要內容29-30
• 2 理論基礎30-40
• 2.1 光電器件的輻照效應理論30-33
• 2.1.1 輻照對半導體的基本損傷機制30-32
• 2.1.2 輻照效應對光電器件特性的影響32-33
• 2.2 光電探測器的低頻噪聲理論33-37
• 2.3 μPCD提取材料少子壽命理論基礎37-38
• 2.4 本章小結38-40
• 3 短波紅外InGaAs探測器器件物理研究40-64
• 3.1 引言40-43
• 3.2 μPCD提取晶格匹配InGaAs材料的少子壽命43-52
• 3.2.1 實驗43-45
• 3.2.2 結果與討論45-52
• 3.3 延伸波長In_(0.83)Ga_(0.17)As探測器的低頻噪聲研究52-61
• 3.3.1 實驗52-54
• 3.3.2 兩種不同鈍化方式探測器的 1/f噪聲特性比較54-58
• 3.3.3 利用器件g-r噪聲特性提取缺陷能級58-61
• 3.4 本章小結61-64
• 4 短波紅外InGaAs探測器的γ輻照效應64-82
• 4.1 引言64
• 4.2 實驗64-66
• 4.3 晶格匹配InGaAs器件的γ輻照效應66-78
• 4.3.1 非原位測試66-75
• 4.3.2 原位測試75-78
• 4.4 延伸波長InGaAs器件的γ輻照效應78-80
• 4.5 本章小結80-82
• 5 延伸波長InGaAs探測器的質子輻照效應82-94
• 5.1 引言82
• 5.2 實驗82-83
• 5.3 結果與討論83-91
• 5.3.1 輻照對器件暗電流的影響83-85
• 5.3.2 輻照對器件低頻噪聲的影響85-88
• 5.3.3 輻照對材料PL譜的影響88-90
• 5.3.4 輻照對器件探測率和量子效率的影響90-91
• 5.4 本章小結91-94
• 6 全文總結與展望94-98
• 6.1 全文總結94-96
• 6.2 展望96-98
• 參考文獻98-106
• 作者簡介及在學期間發(fā)表的學術論文與研究成果106

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：824953