中波长InGaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的外延生长和器件工艺研究

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InGaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(QWIP)可凭借巧妙的能带设计实现中红外波段的红外线探测,并且利用分子束外延(MBE)生长的这种量子阱结构具有重复率高、均匀性好和稳定度高等特点。使用MBE外延生长QWIP时最关键的环节就是如何设计和控制量子阱中势阱和势垒的生长参数,使其对需要探测的红外波长精确响应,同时保证外延片具有较高的晶体质量以确保它具有较高的响应度和较小的暗电流。本论文主要用光致发光(PL)来测量样品的发光峰位、半高宽(FWHM)和发光峰强度来评价外延片的光学性能,用X射线衍射(XRD)测量样品(004)面的一级卫星峰的FWHM来评价外延材料的晶体质量。  为了实现军工863项目“**红外探测技术研究”的要求:制作出指定波长红外线精确响应、低暗电流、高响应度的QWIP器件,我们把这个项目分为外延设计制作和器件工艺设计优化两个关键环节。  1、在InGaAs/AlGaAs QWIP的外延制备上,最重要的就是保证材料具有较高的晶体质量并严格满足其光电性能的要求。项目前期已经解决了InGaAs/AIGaAs温度窗口差异大,均匀度不高等问题。本论文主要解决如何设计能带结构使该QWIP对于特定波长**中红外线精确响应的难题。为解决这一难题,本论文先由能带目标计算出其对应的势阱和势垒的PL发光峰峰位分别为950nm和650nm,以此为目标,调试量子阱外延生长的势阱生长时间、势阱In组分和势垒Al组分展开实验,用PL和XRD测量表征样品,对比分析得到了较好的势阱和势垒生长条件:1)势阱InGaAs当生长时间为20s(对应PL发光峰峰位为952nm);2)势阱的In组分对应的In源温度为744℃;3)势垒的Al组分对应的Al源温度为1065℃(对应PL发光峰峰位为647nm)。  2、在器件工艺制备方面,论文介通过大量实验测试最终得到了优化后的QWIP器件制作流程和各种工艺参数:先用在无水乙醇、丙酮和去离子水中分别超声5min,烘烤后用3840原胶甩胶,胶厚1.7微米,在90℃下烘烤3min后曝光时间50s,60%AMP显影液显影35s,在120℃恒温台坚膜5min,对未用光刻胶保护的部分用腐蚀液H2SO4∶H2O2∶H2O=1∶8∶120在冰水混合物中腐蚀到下电极,用丙酮去胶后,再次甩胶、套刻、显影以露出电极部分。用电子束蒸镀设备在蒸镀NiAu-GeNiAu电极(n型电极),电极膜总厚为5000(A),在丙酮中剥离取得电极图形。退火的要求是400℃快速退火90s。切割、磨角、引线键合后测试,文章最后还测试了器件的暗电流、峰值响应波长和黑体响应度,数据显示实验获得了较为出色的结果。
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