GaAs同质结远红外探测器的谐振腔设计

摘要

本文的主要内容是针对n型GaAs远红外同质结探测器的一个高效的谐振腔设计的研究。远红外半导体探测器在天体物理等领域上的应用上变得越来越重要，因此对n型GaAs远红外同质结探测器性能提高与优化的研究具有重要的意义。
　　本文中首先介绍了研究红外探测器常用的实验仪器，即基于傅立叶变换光谱学的傅立叶红外光谱仪以及可在计算机系统下自动读取和记录数据的电流电压源。接着，介绍了本征或掺杂的GaAs在远红外波段计算其介电系数的方法以及研究探测器所需要的计算多层膜的光学吸收的理论方法-菲涅耳系数矩阵方法。实验结果得到的反射谱，透射谱与应用该种方法计算得到的反射谱和透射谱符合得非常好，证明了该理论方法的可行性。其次是对同质结探测器这一类探测器作了基本的介绍，包括基本探测原理、量子效率、暗电流和探测器的基本结构等。然而总体而言同质结远红外探测器的总量子效率普遍偏低，离实用化的要求还有一定的差距。因此，如何进一步提升同质结远红外探测器的总量子效率是一个亟待解决的问题。
　　针对于n型GaAs远红外同质结探测器，我们之前的工作讨论了提高探测器量子效率的方法：
　　(1)优化探测器的主体结构的各项参数。
　　(2)添加适合的底部反射镜。经过主体结构的优化之后，探测器的最大量子效率达到4.9％，大约是未优化之前的三倍。紧接着在优化好的主体结构的基础上讨论和比较两种底部反射镜结构：GaAs底部反射镜和Gold层底部反射镜。优化GaAs底部反射镜之后，得到最大的量子效率是13.2%，大约是没有反射镜的量子效率(4.9%)的三倍。而优化了Gold层底部反射镜之后同质结探测器最大的量子效率可以达到了18.8%（因为Gold层底部反射镜的反射率更大），是原来没有反射镜的探测器量子效率（4.9%）的四倍，并且远大于曾经报道过的p-GaAs或者 Si同质结探测器的量子效率。但是这个量子效率值仍然不能令人满意，而且还没有专门针对顶部反射镜做出优化。于是我们本篇论文的主要工作就是针对在优化好的主体结构和Gold层底部反射镜（合称“半优化的探测器”）的基础上讨论如何添加一个理想的顶部反射镜，从而进一步大幅度提高其量子效率。我们首先从最简单的情况，即原生的或等效的单介质层作为顶部反射镜的情况讨论起，发现不论该单介质层的折射率值和厚度为何值，均不能同时满足所需的反射系数和匹配的相移，从而不能成为一个理想的顶部镜。自然地，其后我们提出了一个复杂的，不能等效成为单层膜的结构，即本征GaAs二维周期倒金字塔结构来作为顶部反射镜应用到“半优化的探测器”上，一系列的模拟计算表明，可以同时获得理想顶部镜所要求的反射系数和匹配相移，从而使整个探测器的量子效率高达29.0%，比“半优化的探测器”的18.8%提高了一半。接着在和单层膜作为顶部镜的情况作比较的基础上，讨论了金字塔结构可以作为理想顶部镜的原因。并在最后提出了一个试探性的工艺方案来尝试实现这一顶部镜的结构。以上这部分内容将在第五章讲述。
　　在第六章中我们还针对本征GaAs二维周期倒金字塔结构所可能存在的一些问题作了一点初步的讨论，提出并简单讨论了两种改进的结构。希望所有谈到的这些结构不仅可以用在本文研究的探测器上，还可以作为其他红外器件设计的参考。
　　以上研究得到了国家自然科学基金(10774100和10304010)和教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队计划(IRT0524)的资助。

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第一章 绪论

1.1红外探测器的意义和现状

1.2红外探测器的性能参数

1.3 研究内容

第二章 实验仪器

2.1傅立叶光谱学[1]及Nicolet Nexus 870傅立叶红外光谱仪[2]

2.2 Keithely 2400 Series Source Meter电流/电压源表[7]

2.3 本章小结

参 考 文 献

第三章 理论计算方法

3.1 远红外波段的介电函数

3.2 标量波方法

3.3 多层薄膜的菲涅耳系数矩阵法

3.4 标量波法和菲涅耳系数矩阵法的应用

3.5本章小节

参 考 文 献

第四章 远红外同质结探测器的简介

4.1 HIWIP探测器的基本探测机制

4.2 HIWIP探测器的结构

4.3 GaAs HIWIP功函数

4.4 HIWIP探测过程理论模型

4.5 HIWIP探测器的量子效率

4.6 多周期GaAs HIWIP中碰撞离子化

4.7 HIWIP探测器的暗电流

4.8 探测器的谐振腔结构

4.9 本章小节

参 考 文 献

第五章n-GaAs同质结探测器高效谐振腔的设计

5.1研究背景

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

参 考 文 献

第六章 改进的顶部反射镜的初步讨论

6.1引言

6.2 结果与讨论

6.3 本章小节

参 考 文 献

第七章 结论

致谢

读硕士学位期间已发表的论文和申请的专利

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