GaAs/AlGaAs量子阱材料微观结构与器件特性分析研究

摘要

GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(Quantum Well Infrared Photodetectors, QWIP)是先进薄膜生长技术与微电子学相结合的新型红外探测器。具有材料均匀性好,生长制备工艺成熟,价格低,抗辐照性能好,及易于实现多色探测等优点。广泛用于生物医疗成像,空间资源检测,军事领域现代化高科技武器装备、地雷探测、红外制导系统、战场侦察、反坦克导弹热瞄镜等领域,已成为红外探测器的主流技术。但其较大的暗电流,较低的量子效率与过窄的频带宽成为其快速发展的瓶颈。本文以GaAs/AlGaAs QWIP单元探测器为应用背景,从相关器件结构优化设计入手,使用金属有机物化学气相沉积法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)进行量子阱材料生长,设计 QWIP样品性能参数自动测试系统,利用高分辨透射扫描电镜(High resolution transmissionelectron microscopy, HRTEM)对器件展开微观结构分析研究,采用室温光致荧光谱(Room Temperature Photoluminescence,RT-PL)对样品进行势垒与势阱 PL谱测试,以对其微观能级结构进行剖析研究。旨在提高光电流,减小暗电流,建立器件微观结构与宏观表征的关系,为实现 QWIP能级结构设计与材料生长工艺的优化奠定基础。主要研究内容包括：
　　⑴采用MOCVD生长30~50周期300μm×300μm台面,峰值响应波长8.5μm GaAs/Al0.3Ga0.7As量子阱样品数件,其电极压焊点面积大小与位置不同。对器件样品进行宏观光电特性测试,实验结果显示:样品暗电流,噪声,响应特性,伏安特性及探测率等呈现正负偏压的不对称性。结合样品的微观结构形貌,研究结果表明:样品界面位错穿过区域靠近AlGaAs层附近衬度区域的加宽,致使 Al原子从 AlGaAs层析出,导致穿透位错造成相位分离,这是引起量子阱光电性能变差的主要原因;材料生长工艺自身引起不同生长次序中GaAs与AlGaAs界面不对称性与掺杂元素的扩散,及GaAs薄膜中大量缺陷,其中包括有生长技术或掺杂带来的点缺陷及由衬底异质外延晶格失配引起的缓冲层缺陷等。这都是引起器件宏观特性曲线出现不对称的根本原因;样品器件位于台面的电极造成器件结区暗电流增加,表面及压焊点电极漏电也有一定影响。
　　⑵根据GaAs/AlGaAs QWIP的结构参数,建立了QWIP理想势阱模型。通过对 QWIP样品解理后侧向剖面 QW进行 PL测试,结合势阱与势垒发光峰的位置,根据理 GaAs/AlGaAs势阱模型与量子阱能带理论进行数值拟合运算,获得 QWIP样品的势垒组分、量子阱宽度等各项结构参数,并由此得到量子阱子带间跃迁能量,及其相应的峰值响应波长。实验结果显示:器件结构中势阱宽度偏离设计值1~2个原子层,势垒中 Al组分偏离设计值1％~2%。虽然实际值相对于设计值有一定偏差,但该工作有利于防止偏离设计值的晶片流入器件制备工序,另一方面能够促使改进 MOCVD生长工艺使其达到设计要求。
　　⑶建立QWIP荧光量子阱响应波长能带模型,确定 QWIP峰值响应波长与势垒中 Al组分关系,建立器件微观结构形貌与宏观光电特性关系。采用MOCVD制备 Al摩尔含量为0.23,0.32实验样品。光谱测试结果显示:3#,4#样品峰值响应波长为8.36μm,7.58μm,与据薛定谔方程得到峰值波长9.672μm,7.928μm误差分别为15.6%,4.6%。研究结果表明:铝原子在GaAs与AlxGa1-xAs界面处扩散促使 GaAs量子阱由标准方势阱变为余误差决定的形状,导致势阱降低,宽度增加,子能级分布变化,响应波长蓝移。说明光激发载流子正从束缚态到连续态向束缚态到准束缚态跃迁方式转变。HRTEM技术分析发现:位错引起 GaAs与AlGaAs晶格不匹配及量子阱材料生长过程中对材料控制精度不够是造成3#样品误差过大主要原因。说明势垒中 Al组分减小致使量子阱子带间距离逐渐缩小,导致峰值响应波长红移。RT-PL实验结果与理论计算相符合,说明势垒中 Al组分可修饰 QWIP光电特性。
　　⑷确定QWIP响应波长与GaAs势阱宽度关系。根据理想二维方势阱模型设计器件量子阱能级结构,采用MOCVD生长阱宽为4.5nm,5.5nm GaAs/Al0.3Ga0.7As QWIP样品,利用傅里叶光谱仪对样品进行77K液氮温度光谱响应及势阱与势垒的PL测试。光谱实验结果显示:5#,6#样品峰值响应波长为8.39μm,7.69μm,与据理想二维方势阱模型获得8.924μm,8.051μm误差为6.36%,4.7%;同时响应光谱半高宽从27.3%上升至44.2%。而 PL实验结果则显示:其与二维方势阱模型及薛定谔方程得到的结果一致。结合 HRTEM研究样品微观结构形貌,结果说明:若加宽势阱,则光谱响应峰向高能方向漂移,及响应光谱半高宽上升。说明基态E1相对于势阱底而下降,导致子带间距增大,峰值波长蓝移,且在蓝移过程中发生半高宽增加的现象。而激发态 E2逐渐从势阱口内向势阱口外移动,即光激发载流子跃迁形式从束缚态到连续态跃迁方式向束缚态到准束缚态跃迁方式的转变。
　　⑸样品HRTEM显示:Al原子从AlGaAs层析出将会引起微观领域光生电子与阱中热激发电子运动速度或方向发生变化,从而改变器件宏观光电特性;样品位错沿(100)面无法消除因插入GaAs层而导致GaAs与AlGaAs间晶格失配而起的应力应变,从而使得位错在接近量子阱区域发生微小的弯曲,进而影响器件的输出响应。

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第一章 绪论

1.1 红外探测器发展简介

1.2 量子阱红外探测器材料、结构及器件物理

1.3 量子阱红外探测器国内外研究现状

1.4 量子阱红外探测器优点和不足

1.5 课题的背景及意义

1.6 课题主要工作

1.7 小结

第二章 GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器

2.1 引言

2.2 GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器工作原理

2.3 GaAs/AlGaAs QWIP 光耦合方式

2.4 GaAs/AlGaAs QWIP 主要性能参数

2.5 小结

第三章 量子阱材料制备与测试平台及方法

3.1 引言

3.2 金属有机物化学气相沉积法（MOCVD）

3.3 QWIP 测试系统设计

3.4 测试方法

3.5 小结

第四章 GaAs/Al0.3Ga0.7As QWIP 光电特性及 HRTEM 研究

4.1 引言

4.2 样品制备

4.3 样品测试

4.4 实验结果 HRTEM 研究

4.5 样品 PL 谱研究

4.6 小结

第五章 势垒高度对 GaAs/AlxGa1-xAs QWIP 光电特性的修饰

5.1 引言

5.2 量子阱结构参数设计与制备

5.3 样品测试与分析

5.4 实验结果分析与探讨

5.5 小结

第六章 势阱宽度对GaAs/Al0.3Ga0.7As QWIP 光电特性的影响

6.1 引言

6.2 量子阱能级设计

6.3 样品制备

6.4 样品测试与分析

6.5 样品 HRTEM 研究

6.6 小结

第七章 结束语

7.1 本文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果