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红外探测技术是信息获取的主要手段之一,各种类型的红外探测器在军事上和国民经济各部门都有广泛的应用。其中红外光子型探测器以其灵敏度高、响应速度快的优点一直占据高性能红外探测器的主流。工作在8~12μm波段的长波长红外线探测材料是目前的研究热点之一。碲镉汞(HgxCd1-xTe)是目前长波长红外线探测器中应用最为广泛的探测材料。但是HgxCd1-xTe材料稳定性和大面积均匀性较差,大规模应用时可能会遇到技术上的困难。
InAsxb1-x材料是HgxCd1-xTe的一种良好的替代材料。InAsxSb1-x材料得益于较强的共价键结合,材料稳定性非常好,并且加工处理工艺发达,所以越来越受到重视。中间成分的InAsxSb1-x在室温下的禁带宽度可小到0.099eV,而且有比HgxCd1-xTe还要高的载流子迁移率。但InAsxSb1-x材料的外延生长缺乏与之晶格匹配的衬底,另外本文采用的液相外延工艺属于近热力学平衡生长,低温生长中间成分的InAsxSb1-x薄膜时会发生调幅分解,因此溶解度间隙的问题也应避免。
本文采用液相外延方法(LPE)制备GaSb基InAsxSb1-x外延薄膜。利用X射线衍射谱、扫描电子显微镜、霍尔测量和傅立叶变换红外谱等方法对薄膜样品进行了详细分析,并制作了光导型红外探测原型器件,进行了光电导测试,取得了一些有意义的结果。主要结果包括:
1.采用较高且恒定的生长温度(548~550℃),成功在GaSb衬底上生长了大晶格失配的InAsxSb1-x单晶薄膜,As含量x最高达到了0.35,避免了溶解度间隙的问题;并且通过生长缓冲层的工艺防止了衬底元素的外扩散,获得了较高的界面质量;
2.InAsxSb1-x薄膜为(100)方向的单晶薄膜,并且表现出很高的电学性能:样品室温下迁移率在4×104 cm2·V-1·s-1以上,而载流子浓度在5×1016 cm-3以下;
3.InAsxSb1-x薄膜表现出了显著的“光学弯曲”效应:样品的禁带宽度随其As含量的增大而减小,并且样品室温下的吸收截止波长最长达到了12μm,表明InAsxSb1-x薄膜的吸收范围可以覆盖8~12μm的大气窗口;
4.用InAsxSb1-x样品制作的原型器件在室温下有明显的光响应,响应截止波长最长达到了12μm,显示了光导型红外探测器可用于室温长波长红外线的探测。
综上所述,本文用LPE工艺制备了可用于室温下长波长红外线探测的高性能GaSb基InAsSb1-x外延膜,对降低长波长红外探测器的成本,简化其结构都有重要意义。