多层结构GaAs光电发射材料的表面光电压谱特性分析

摘要

GaAs光电探测材料和器件广泛应用在各行业上，对国家经济、安全、科学技术发展具有重要的战略意义。由于光电探测器材料都是多层的，采用无损光电压法检测多层结构GaAs光电发射材料特性，将为进一步研究GaAs光电发射材料提供关键测试理论和分析方法。本文采用表面光电压谱技术对多层结构GaAs光电发射材料的特性参数进行了计算和分析。
　　 本文首先阐述了表面光电压的概念和产生原因，着重分析对比了开尔文探针法和MIS（金属-绝缘体-半导体）法测量表面光电压信号的优劣。选用空气作为绝缘层的MIS结构来探测表面光电压信号。介绍了基于MIS结构的多层结构GaAs表面光电压谱测试系统。然后，通过研究AlGaAs/GaAs接触表面的晶格匹配、能带结构、少子迁移率及表面复合速率等，结合结构中各层的光学性质（光谱吸收系数、表面反射率）和在不同环境下载流子迁移的主要方式，建立GaAs/AlGaAs及GaAs/AlGaAs/GaAs等多层结构材料的表面光电压产生机理模型。画出了p-Al0.63 Ga0.37As/p-GaAs衬底结构和p-GaAs发射/p-Al0.57Ga0.43As/si-GaAs衬底结构的能带图。确定各层边界条件后，利用小注入条件下的一维载流子扩散方程建立了双层、三层结构GaAs材料的表面光电压谱模型。得到了双层、三层结构的光电压理论计算公式，及其特性参数计算方法。最后，实验验证多层结构GaAs光电发射材料特性的计算模型。采用在固定入射波长时测量随光强变化的的光电压的方法，计算得到不同样品在MIS结构中的理想因子。逐层腐蚀双层AlGaAs/GaAs及三层GaAs/AlGaAs/GaAs结构的材料，测量腐蚀后样品的光电压谱。再从单层到多层逐层计算它们的扩散长度、复合速率、结构组份等参数。测量激活后的双层AlGaAs/GaAs及三层GaAs/AlGaAs/GaAs结构的光谱响应曲线。将其与未激活材料的光电压谱曲线进行对比，验证多层结构光电压理论模型，证明表面光电压谱法的实用性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 GaAs光电阴极概述

1．2 表面光电压及其测试技术

1．2．1 表面光电压形成

1．2．2 表面光电压测试技术

1．3 本文研究背景

1．4 本文的主要工作

2 GaAs表面光电压谱测试系统

2．1 表面光电压探测方法

2．1．1 开尔文探针法

2．1．2 MIS法

2．1．3 SPV形貌扫描法

2．2 多层GaAs表面光电压谱测试系统结构

2．2．1 多层GaAs表面光电压谱测试系统原理

2．2．2 表面光电压谱测试系统构成

2．3 GaAs表面光电压谱测试系统软件

2．3．1 操作界面

2．3．2 串口通讯

2．3．3 Matcom数据拟合

3 SPV表征多层GaAs特性参数

3．1 表面光电压计算表达式

3．1．1 单空间电荷区光电压理论表达

3．1．2 多个空间电荷区形成的光电压

3．1．3 Dember光电压理论表达

3．1．4 MIS结构理想因子概念

3．2 单层厚GaAs光电压理论公式

3．2．1 单层厚GaAs能带图

3．2．2 单层厚GaAs扩散长度计算

3．2．3 MIS结构理想因子计算

3．2．4 漂移电流及表面复合速率计算

3．3 双层结构AlGaAs／GaAs光电压理论公式

3．3．1 双层结构AlGaAs／GaAs能带图

3．3．2 双层结构AlGaAs／GaAs特性参数计算

3．4 三层结构GaAs／AlGaAs／GaAs光电压理论公式

3．4．1 三层结构GaAs发射层／AlGaAs／GaAs衬底能带图

3．4．2 三层结构GaAs发射层／AlGaAs／GaAs衬底特性参数计算

3．5 本章小结

4 多层结构GaAs特性参数实验分析

4．1 表面光电压谱测试步骤及可行性验证

4．1．1 表面光电压谱测试步骤

4．1．2 多层结构GaAs表面光电压形成机理验证

4．2 基于SPV的双层结构AlGaAs／GaAs特性参数分析

4．2．1 理想因子

4．2．2 衬底扩散长度

4．2．3 p-Al0．63Ga0．37As／p-GaAs特性参数

4．2．4 双层结构AlGaAs／GaAs激活前后对比

4．3 基于SPV的三层结构GaAs／AlGaAs／GaAs特性参数分析

4．3．1 理想因子

4．3．2 si-GaAs衬底扩散长度、漂移电流等参数

4．3．3 p-Al0．57Ga0．43As／si-GaAs特性参数

4．3．4 p-GaAs发射／p-Al0．57Ga0．43As／si-GaAs衬底特性参数

4．3．5 三层结构材料激活前后对比

4．4 本章小结

5 结束语

5．1 论文工作总结

5．2 有待完善的工作

致谢

参考文献

附录