InAs/GaSb Ⅱ类超晶格中长波红外探测器的光电响应和噪声性能研究

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红外探测器在军事成像、环境和医疗等领域有着广泛的应用。与常用的碲镉汞(MCT)红外探测器相比,InAs/GaSb Ⅱ类超晶格(T2SL)红外探测器具有量子效率高、隧穿漏电流低、工作温度高等优势,理论上可以达到更高的探测能力。但目前InAs/GaSb Ⅱ类超晶格探测器的实际性能和理论预测之间存在较大差距,主要原因是由于超晶格结构中存在各种缺陷,但目前这些缺陷的缺陷类型、所处位置、以及对器件暗电流和噪声的影响等问题仍缺少系统的理论和研究。本论文针对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格中波、长波红外探测器的光电响应和噪声特性进行研究。揭示了中长波探测器中与噪声直接相关的暗电流产生机制,通过噪声频谱分析探测器中的噪声来源、噪声机制,最后通过光电流响应图得出噪声的具体泄漏路径,提出体工艺和表面工艺的改进方案。主要研究内容和成果如下:1)针对(13.3ML)In As/(7ML)Ga Sb T2SL长波红外单元探测器的光电特性和噪声特性展开研究。In As/Ga Sb T2SL长波红外探测器是通过分子束外延技术(MBE)生长制备而成,其吸收区为400周期的13.3ML In As/7ML Ga Sb的轻P型超晶格层。探测器的相对光谱响应显示该探测器50%截止波长为9.3μm,100%截止波长为11.7μm,符合设计预期。暗电流测试系统表明,在90~110 K温度范围内,暗电流的主要产生机制为SHR产生——复合电流和扩散电流,在65~90 K的温度范围内,暗电流的主要产生机制为陷阱辅助隧穿(TAT)电流和shunt电流。通过拟合探测器在77k处的噪声功率谱密度,结果表明TAT电流在高反向偏置(大于-0.1 V)处主导1/f噪声,而shunt电流在低反向偏置(小于-0.1 V)处的贡献较大,且拟合得到分流噪声系数αshunt为5×10-8,分流电阻Rshunt阻值为30 kΩ。对不同温度下器件的光电流响应图的测量表明,分流过程产生的暗电流和噪声都来源于电极侧壁周围的泄漏路径,进一步提高探测器性能的关键是抑制原子互混和侧边泄漏。2)针对(9ML)In As/(9ML)Ga Sb T2SL中波红外探测器的材料特性和光电特性进行了详细的研究。In As/Ga Sb T2SL中波红外探测器是通过MBE技术生长制备而成,其吸收区为300周期的9ML In As/9ML Ga Sb的超晶格本征层。采用Raman技术对超晶格的晶体质量进行表征,发现超晶格结晶质量良好,未发现界面模。利用暗电流测试系统分析出产生——复合电流为其暗电流主导机制。工作温度下的变压噪声测试结果显示限制响应度D*的主要噪声为1/f噪声,其可能来源于超晶格的表面态。扫描光电流响应测试表明在4μm和4.2μm的激发波长下探测器均有强烈光响应,但是存在侧边漏电通道。
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