GaAs/AlGaAs QWIP外延材料研究

摘要

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(QWIP)技术是上个世纪90年代发展起来的。与其它红外探测技术相比，QWIP 具有响应速度快、探测率与HgCdTe 红外探测器相近、探测波长可通过量子阱结构参数的调节加以控制等优点，而且采用MBE 或MOCVD 等先进外延生长技术可制备出品质高、大面积均匀的量子阱材料，有利于制备出大面积的探测器阵列。因此，QWIP 成为了国际上红外焦平面研究的热点。对GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器外延材料及相关器件特性的研究将有利于推动我国红外探测技术的发展。
　　 本论文围绕量子阱红外探测器外延材料的优化及功能参数的提升，实验与理论相结合研究了量子阱红外探测器的材料特性及相关器件特性，主要研究内容包括：阱中掺杂对量子阱能级的影响、响应光谱特性、探测率和暗电流特性等。
　　 1.通过对材料结构的优化设计和MBE 生长工艺参数的优化，制备出了不同结构参数及不同阱中掺杂浓度的高质量的量子阱红外探测器外延材料。
　　 2.从实验和理论两方面研究了GaAs/AlxGa1-xAs QWIP 外延材料阱中掺杂对量子阱能级的影响。理论研究以薛定谔方程和泊松方程的求解为基础，研究得出：当阱中掺杂浓度为1×1018cm-3 时，Si 掺杂对量子阱的影响只有1meV左右，对应于阱中能级则几乎不会受到影响，PL 谱测试结果与理论分析结果符合的较好。
　　 3.研究了GaAs/AlxGa1-xAs 量子阱红外探测器的响应光谱特性。研究表明：由于材料结构中应力的作用，能带变为非抛物线形，从而导致光响应谱峰向高能方向发生了漂移。在光电流谱的分析基础之上，将计算方法进行修正，考虑能带非抛物线性影响，对量子阱红外探测器材料结构参数与峰值探测波长之间的依赖关系进行了归纳总结，有助于今后量子阱红外探测器外延材料的进一步设计制备和优化。
　　 4.研究了GaAs/AlxGa1-xAs 量子阱红外探测器的探测率和暗电流特性。实验测试的探测率最优值为：+3V 偏压下，4.1×1010cmHz1/2/W；暗电流最优测试值为：-3V 偏压下，-7.6×10-7A。探测率和暗电流的测试结果表明，本论文设计生长的GaAs/AlxGa1-xAs 量子阱红外探测器外延材料制成的单元器件的性能达到了国内先进水平。