高灵敏度共振隧穿二极管探测器的研究

摘要

近红外探测器已得到长足发展，却依然存在着诸多不足，这大大制约了光电探测的应用。作为纳电子器件的代表，共振隧穿二极管探测器工作电压小，响应频率快，已被证明是良好的高灵敏度近红外探测器，具有重要的研究价值和应用前景。能与InP衬底完美晶格匹配的InGaAs覆盖了近红外光谱中最主要的波段，是公认的近红外探测器的理想材料体系之一。本论文系统研究了基于InP衬底、以InGaAs为吸收层的共振隧穿二极管探测器的分子束外延生长和工艺制备。主要研究内容和结果如下:
　　1.研究了InP衬底上分子束外延生长In0.53Ga0.47As、AlAs等外延材料的条件与方法，确定了InP衬底上外延生长In0.53Ga0.47As、AlAs等外延材料的流程及参数，制备了与InP衬底晶格匹配的InGaAs外延材料，生长的InGaAs外延材料In组分为0.529，RMS粗糙度为0.17 nm。
　　2.通过有限元仿真模拟方法研究了共振隧穿二极管探测器的电学性能（暗电流水平）。研究了探测器双势垒结构掺杂类型和掺杂浓度对器件本征电流抑制的影响。模拟发现，对探测器双势垒结构进行p型掺杂，当掺杂浓度为2×1018 mol/cm3时，探测器的隧穿峰值电流比非掺杂的双势垒结构的探测器的隧穿峰值电流小将近3个数量级。
　　3.设计了单台面结构探测器的工艺流程，制备了单台面结构单元探测器和单台面结构象限探测器。提出了双台面结构的探测器结构，并设计了工艺流程，通过多步光学光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术实现了微柱结构，实现了双台面结构探测器制备。
　　4.提出了通过对双势垒结构进行p型掺杂来抑制探测器本征电流密度的方法，设计了双势垒结构p型掺杂单台面结构探测器的外延结构，制备了双势垒结构p型掺杂的单台面结构探测器。在300 K温度下、0.8V时探测器暗电流密度为0.15 A/cm2，这比双势垒结构非掺杂的单台面结构探测器的暗电流密度小4个数量级。
　　5.对双台面结构探测器进行电学和光学测试。在77 K温度下，双台面结构探测器在1.25 V时的暗电流密度为498.79 A/cm2;在300K温度下，双台面结构探测器的灵敏度最高达到了1.15×105 A/W。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 常见光电探测器

1．2．1 光电倍增管

1．2．2 雪崩二极管

1．2．3 pi n光电二极管

1．3 共振隧穿二极管探测器

1．3．1 RTD结构

1．3．2 RTD工作原理

1．3．3 RTD-PD工作原理

1．4 RTD-PD研究历史及研究现状

1．4．1 RTD-PD研究历史

1．4．2 RTD-PD研究现状

1．5 本论文研究目的

第二章 外延薄膜生长原理及性能表征

2．1 RTD-PD结构生长

2．1．1 分子束外延系统

2．1．2 外延材料生长原理

2．2 外延材料与探测器性能表征

2．2．1 外延材料表征

2．2．2 探测器性能表征

2．3 本章小结

第三章 器件模拟

3．1 Silvaco TCAD

3．2 结构设定

3．3 器件建模与仿真

3．3．1 结构定义

3．3．2 材料模型设定

3．3．3 数值模拟方法选择

3．3．4 特性获取

3．3．5 结果分析

3．4 仿真结果与分析

3．4．1 不同形式掺杂时的电流抑制

3．4．2 不同浓度掺杂时的电流抑制

3．5 本章小结

第四章 RTD-PD外延生长及工艺流程设计

4．1 RTD-PD外延生长

4．2 RTD-PD工艺制备

4．2．1 光刻技术

4．2．2 图形转移技术

4．3 工艺制备流程设计

4．3．1 单台面结构工艺流程

4．3．2 双台面结构工艺流程

4．4 本章小结

第五章 单台面结构RID-PD制备

5．1 单台面结构RTD-PD外延结构设计

5．1．1 具有InAs空穴堆积层外延结构设计

5．1．2 双势垒结构p型掺杂的外延结构设计

5．2 单台面结构RTD-PD工艺制备

5．3 器件结果与分析

5．3．1 电学性质测试分析

5．3．2 光电响应测试分析

5．4 本章小结

第六章 双台面结构RTD-PD制备

6．1 双台面结构RTD-PD外延结构设计

6．2 双台面结构RTD-PD工艺制备

6．3 器件结果与分析

6．3．1 电学性质测试分析

6．3．2 光电响应测试分析

6．4 本章小结

第七章 总结

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文及专利