【摘 要】
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红外探测系统的重要发展方向之一是“SWaP”,也就是更小的体积、更轻的重量和更低的功耗。而红外光电探测器由于禁带宽度窄,一般工作在液氮温区,制冷系统是带来探测系统体积功耗的主要原因。因此,提高红外探测器的工作温度并且降低制冷系统的功耗和体积,可以推动红外探测技术在便携式手持装备等小型化设备方面的发展和应用。红外探测器在高工作温度下面临的两个主要问题:首先,探测器的暗电流是温度的指数函数,随着温度的
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
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红外探测系统的重要发展方向之一是“SWaP”,也就是更小的体积、更轻的重量和更低的功耗。而红外光电探测器由于禁带宽度窄,一般工作在液氮温区,制冷系统是带来探测系统体积功耗的主要原因。因此,提高红外探测器的工作温度并且降低制冷系统的功耗和体积,可以推动红外探测技术在便携式手持装备等小型化设备方面的发展和应用。红外探测器在高工作温度下面临的两个主要问题:首先,探测器的暗电流是温度的指数函数,随着温度的升高,暗电流急剧增长;此外,少数载流子的扩散长度随着温度升高而降低,导致量子效率下降。这些问题可以通过带间级联结构进行克服,带间级联红外探测器是一种基于锑化物超晶格材料的多吸收区级联结构,通过多量子阱弛豫和隧穿实现光生载流子单方向输运,又避免了PN结的形成,抑制了暗电流,同时,多级级联结构可以获得更高的器件电阻,使器件能够更好地与放大器或输出电路的匹配。多级短吸收区结构可以减小光生载流子的复合,在扩散长度很短的情况下仍然可以有效地收集光生载流子,从而提高探测器在高工作温度下的探测率。本论文主要针对生长在InAs衬底上的中波带间级联探测器进行研究,对带间级联探测器的探测率和响应速度性能进行了研究,本论文的主要研究内容如下:（1）带间级联探测器结构设计。带间级联探测器可以突破扩散长度不足对器件探测性能的限制,通过级数和吸收区厚度等结构的优化可以提高探测器的探测率。合理的结构设计对于带间级联探测器非常重要,首先推导了带间级联探测器量子效率和探测率的表达式,计算了在不同扩散长度下不同级数的带间级联探测器能达到的最大探测率,对于光电流匹配结构计算了不同级数的吸收区厚度。根据变温响应率拟合了中波InAs/GaAsSb超晶格吸收区的扩散长度,针对300K工作的情况,设计了不同级数的带间级联探测器结构。（2）带间级联结构材料界面特性分析。在带间级联结构中,能级的精确调控尤其重要,光生载流子的传输过程严重依赖于弛豫区和隧穿区中的量子能级的相对位置,带间级联探测器设计中的关键参数是每一层中原子组分的准确组成。利用分子束外延技术在InAs衬底上生长了带间级联探测器材料,然后对生长的材料进行了扫描透射电子显微镜（STEM）的测试,对InAs/GaAsSb超晶格吸收区、InAs/AlAsSb弛豫区和GaAsSb/AlAsSb隧穿区的界面结构和组分分布进行了分析,结合高分辨率X射线衍射结果,拟合得到了各功能区的原子组分分布。根据拟合的界面组分分布,改进了能带计算中的界面模型,在考虑界面后计算的不同InAs厚度的InAs/GaAsSb超晶格的截止波长与实验结果符合较好。（3）带间级联探测器器件制备和测试。进行了带间级联探测器的制备和测试,对不同级数的带间级联探测器光电性能进行了比较。对于一级和三级带间级联探测器,从220K温度开始器件的响应率都开始降低,而十级器件由于吸收区厚度较短,在高温下响应率基本不变,相比于一级器件,十级器件的响应率受扩散长度的影响较小。在300K下,一级、三级、五级和十级正入射器件的探测率分别为:4.5×108、4.9×108、7.6×108、8.0×108 cm·Hz1/2/W。在此基础上制备了集成浸没透镜带间级联探测器,通过将背入射器件的InAs衬底加工成半球透镜,提高器件的光学响应。通过浸没透镜和减反膜的作用,器件的响应率提高了7.5倍。集成了浸没透镜的十级带间级联探测器,在220 K温度下5μm处的探测率达到了1.4×1010 cm·Hz1/2/W,300 K下5μm处探测率达到了4.7×109 cm·Hz1/2/W。（4）带间级联探测器的响应时间研究。对带间级联探测器进行了2级热电致冷的封装,对封装的器件进行了响应时间的测试。通过对比不同面积、不同级数和不同偏压下器件的响应时间,分析发现器件主要受RC时间和的光生载流子扩散时间限制,短吸收区厚度的器件的响应时间更短,而且通过加偏压可以减小载流子的响应时间。-1.3 V下十级带间级联探测器的上升时间为0.28 ns,下降时间为0.51 ns。
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