GaSb基Ⅱ类超晶格双色红外探测器研究

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红外探测器可广泛应用于卫星检测、红外制导、红外预警和红外成像等方面,特别是在红外预警等方面双色探测器具有比单色器件更好的准确性和可靠性。近年来,InAs/GaSbⅡ类超晶格因其独特的能带结构和潜在的应用受到广泛的关注。这类超晶格材料具有Auger复合几率低,暗电流较小,工作温度较高和波长可调节(3~30μm)等特点,在中、长波波段以及双色、多色红外探测器领域具有很好的前景。本文研究了InAs/GaSbⅡ类超晶格双色(MWIR/MWIR)红外探测器,截止波长本别在4.2μm和5.0μm,采用n-p-n结构,即两个n-i-p结构背对背,公共电极为P型。首先,对材料的特性进行分析,按照探测原理进行结构设计;再重点对双色器件的版图和工艺做了改进,在版图设计中考虑到器件面积优化、电极优化、对版标记优化、多功能优化以及多用途优化,在器件制备过程对光刻、ICP刻蚀、钝化和电极剥离等关键工艺进行优化;最后对器件进行了I-V特性测试、黑体测试以及光谱响应测试等。本文的主要工作包括:1、介绍了InAs/GaSb探测器的国内外发展现状和应用前景。分析InAs/GaSb超晶格探测器的能带结构与工作原理,将其与多量子阱红外探测器(QWIP)和碲镉汞(HgCdTe)探测器作对比,总结出InAs/GaSb探测器的优缺点。2、设计了双色探测器光刻掩膜版版图,对其进行了多方面的优化。其中包括器件面积的优化,电极图形的优化,钝化、增透和保护于一体的多层功能膜优化,对版标记的优化,多窗口(透明、介质)多用途(单色、双色)优化等。3、对光刻工艺进行优化,根据不同应用场合选用适当的胶型和转速。通过反复试验,确定最佳的曝光、显影、烘焙时间,对于光刻胶太厚的情况,采用二次曝光的方法。4、对ICP干法刻蚀条件的优化,实验对SiCl4/Ar和Cl2/Ar两种刻蚀气体源在刻蚀速率和工艺均匀性等方面作对比,最终确定最佳刻蚀气体比例为Cl2:Ar=3sccm:9sccm。5、对器件钝化材料和薄膜厚度进行优化。实验对比SiO2和Si3N4两种钝化材料对器件暗电流的影响,发现采用SiO2材料作为钝化层在工艺上更加容易实现,且钝化效果更加显著。对不同厚度SiO2钝化层作对比,发现厚度越大,钝化效果越好。6、电极制作过程优化。在金属剥离过程中,采用厚度较厚的翻转胶更加容易得到完整的电极图形。通过多次试验,确定最佳的快速退火(热处理)条件。7、对器件进行I-V特性测试、黑体测试以及光谱响应测试等光电性能测试,并对测试结果进行分析。
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