InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的瞬态光伏响应特性

报道了InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的瞬态光伏响应特性.通过对p-b-i-n二类超晶格探测器对皮秒脉冲激发的瞬态响应特性的分析及拟合,获得了器件的表观少数载流子的寿命.并对不同尺寸台面结构单元器件进行测试分析,发现少数载流子寿命随着台面面积的增大而增大,归结为由于侧壁表面效应带来的影响.所测器件的少数载流子为空穴,其表观寿命约为2~12 ns.

InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色红外焦平面探测器

InAs/GaSb超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器器件结构设计、材料外延、芯片制备,对钝化方法进行了研究,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器。首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构,设计了中/短波双色芯片结构,然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料。采用硫化与SiO2复合钝化方法,最终制备的器件在77 K下中波二极管的RA值达到13.6 kΩ·cm^2,短波达到538 kΩ·cm^2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3μm,中波为3~5μm。双色峰值探测率达到中波3.7×10^11cm·Hz^1/2W^-1以上,短波2.2×10^11cm·Hz^1/2W^-1以上。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。

InAs/GaSb二类超晶格红外探测材料的ICP刻蚀

分别采用Cl2/Ar和SiCl4/Ar作为刻蚀气体对InAs/GaSb二类超晶格红外探测材料进行ICP(Inductively Couple Plasma)刻蚀。结果表明,两种刻蚀气体的刻蚀深度与刻蚀时间都呈线性关系;在2 mTorr气压下,RF功率为50 W,SiCl4流量为3 sccm,Ar为9 sccm时,刻蚀速率为100 nm/min,且与材料的掺杂浓度无关。实验还表明,SiCl4/Ar作为刻蚀气体时,Ar流量在很大范围内对刻蚀速率没用明显影响,但Ar的流量越大,刻蚀的均匀性越好;用Cl2/Ar作为刻蚀气体时,刻蚀速率也是100 nm/min,但Ar流量对刻蚀速率有影响:当Ar流量小于3 sccm时,刻蚀速率随Ar流量的减小而明显降低。

基于InAs/GaSb二类超晶格的中/长波双色红外探测器

InAs/GaSb二类超晶格是一种通过在纳米尺寸上交替生长周期性异质结而构造的人工体材料,其有效带隙可以覆盖40~400meV。该量子体系材料不仅具有良好的均匀性,还拥有出色的光学特性,其电子有效质量高、光吸收系数大、量子效率高,已经成为第三代红外焦平面探测器的热门材料。本文利用分子束外延技术生长了背靠背势垒型中/长波双色红外探测器材料,通过标准工艺和阳极硫化技术,成功制备双波段NMπP-PπMN型红外探测器。在77K,中波峰值量子效率为32%,长波峰值量子效率为27%,50%截止波长分别为4.7μm和7.9μm。中波信号在+2V偏压下饱和,暗电流密度为0.06A/cm^2,长波信号在-1.4V偏压下饱和,暗电流密度为8.7A/cm^2。

InAs/GaSb二类超晶格中长波双色红外焦平面器件研究

采用分子束外延工艺方法生长的InAs/GaSb二类超晶格材料因其独特的能带断带结构,极大地降低了俄歇复合暗电流,且其较大的电子有效质量使得隧穿电流进一步降低,因此超晶格材料成为国内外红外领域研究关注的重点。本文介绍的超晶格中长波双色探测器采用npn背靠背结构,阵列规模为320×256,像元中心距为30mm。其中测得80K温度下,-0.1V偏压工作时中波50%截止波长为4.5mm,0.17V偏压工作时长波50%截止波长为10.5mm,对应的峰值量子效率为45%、33%,相应的暗电流密度为5.94×10^(-7)A/cm^2@-0.1V、1.72×10^(-4)A/cm^2@0.17V,NETD为16.6mK、15.6mK。

1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器

本文报道了1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面阵列探测器的研究结果。探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用叠层双色结构和顺序读出方式。运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为中波1:6 ML InAs/7 ML GaSb和中波2:9 ML InAs/7 ML GaSb。焦平面阵列像元中心距为12μm。在80 K时测试,器件双波段的工作谱段为中波1:3~4μm,中波2:3.8~5.2μm。中波1器件平均峰值探测率达到6.32×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1),中波2器件平均峰值探测率达到2.84×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1)。红外焦平面偏压调节成像测试得到清晰的双波段成像。本文是国内首次报道1280×1024规模InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器。

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料的Si离子注入研究

Ⅱ类超晶格红外探测器一般通过台面结实现对红外辐射的探测,而通过离子注入实现横向PN结,一方面材料外延工艺简单,同时可以利用超晶格材料横向扩散长度远高于纵向的优势改善光生载流子的输运,且易于制作高密度平面型阵列。本文利用多种材料表征技术,研究了不同能量的Si离子注入以及退火前后对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料性能的影响。研究通过Si离子注入,外延材料由P型变为N型,超晶格材料中产生了垂直方向的拉伸应变,晶格常数变大,且失配度随着注入能量的增大而增大,注入前失配度为-0.012%,当注入能量到200 keV时,失配度达到0.072%,超晶格部分弛豫,弛豫程度为14%,而在300℃ 60 s退火后,超晶格恢复完全应变状态,且晶格常数变小,这种张应变是退火引起的Ga-In相互扩散以及Si替位导致的晶格收缩而造成的。

长波和甚长波及其双色InAs/GaSb二类超晶格红外探测器的研究进展

本文报道了基于InAs/GaSb二类超晶格实现长波、甚长波及窄带长波/甚长波双色红外探测器的研究,生长的材料具有极高的材料质量.长波探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为9.6μm,峰值响应为3.2 A/W,峰值量子效率为51.6%;甚长波红外探测器单管器件在77 K条件下50%截止波长为14.5μm,量子效率为14%,热噪声限制的探测率为4.3×109 cm Hz1/2 W-1.通过改变偏压极性实现双色探测的窄带型长波/甚长波InAs/GaSb二类超晶格红外探测器两端器件,偏压小于0 V时在长波区工作,偏压大于40 mV时,在甚长波区工作.具体来说,偏压为-0.1 V时,器件光响应50%截止波长为10μm;而偏压为40 mV时,器件光响应50%截止波长为16μm.对于长波光响应,δλ/λ为44%,对于甚长波响应,δλ/λ为46%.甚长波对长波的串音为9.9%,长波对甚长波的串音为11.8%.

InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究综述

本文综述了InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究。从湿法和干法刻蚀的物理化学机理以及参数调控等方面进行分析,旨在阐明工艺条件对台面形貌的影响,以抑制带隙较窄的长波和甚长波超晶格表面漏电流。结果表明,湿法刻蚀中恰当的腐蚀液配比可以实现两种组分的均匀性刻蚀,而不会导致粗糙的表面和严重的下切;干法刻蚀中,采用Cl_(2)基和CH 4基混合气体,通过调整刻蚀气体类型及比例可实现物理和化学刻蚀两个过程的平衡,保证台面侧壁平滑性和倾角的垂直度。另外,对于不同组分的超晶格,需要选择不同的工艺参数才能满足InAs和GaSb的协同性刻蚀。最后对InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺作出了展望。

长波InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器

报道了50%截止波长为12.5μm的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外探测器材料及单元器件.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.吸收区结构为15ML(InAs)/7ML(GaSb),器件采用PBIN的多层异质结构以抑制长波器件暗电流.在77K温度下测试了单元器件的电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)特性,响应光谱和黑体响应.在该温度下,光敏元大小为100μm×100μm的单元探测器RmaxA为2.5Ωcm2,器件的电流响应率为1.29A/W,黑体响应率为2.1×109cmHz1/2/W,11μm处量子效率为14.3%.采用四种暗电流机制对器件反向偏压下的暗电流密度曲线进行了拟合分析,结果表明起主导作用的暗电流机制为产生复合电流.

InAs/GaSb超晶格中波焦平面材料的分子束外延技术

报道了InAs/GaSb超晶格中波材料的分子束外延生长技术研究.通过改变GaSb衬底上分子束外延InAs/GaSb超晶格材料的衬底温度,以及界面的优化等,改善超晶格材料的表面形貌和晶格失配,获得了晶格失配Δa/a=1.5×10-4,原子级平整表面的InAs/GaSb超晶格材料,材料77 K截止波长为4.87μm.

GaAs基GaSb体材料及InAs/GaSb超晶格材料的MBE生长

采用分子束外延方法在GaAs（100）衬底上生长GaSb体材料,以此GaSb为缓冲层生长了不同InAs厚度的InAs/GaSb超晶格,其10K光致发光谱峰值波长在2.0~2.6μm.高分辨透射电子显微镜观察证实超晶格界面清晰,周期完整.

320×256元InAs/GaSb II类超晶格中波红外双色焦平面探测器

报道了320×256元InAs/GaSb II类超晶格红外双色焦平面阵列探测器的初步结果.探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用顺序读出方式.运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为7 ML InAs/7 ML GaSb和10 ML InAs/10 ML GaSb.焦平面阵列像元中心距为30μm.在77 K时测试,器件双色波段的50%响应截止波长分别为4.2μm和5.5μm,其中N-on-P器件平均峰值探测率达到6.0×10^(10) cmHz^(1/2)W^(-1),盲元率为8.6%;P-on-N器件平均峰值探测率达到2.3×10~9 cmHz^(1/2)W^(-1),盲元率为9.8%.红外焦平面偏压调节成像测试得到较为清晰的双波段成像.

nBn型InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器光电特性研究

设计了nBn结构的InAs/GaSb II类超晶格红外探测器,从理论和实验两方面对nBn器件的暗电流特性进行了研究,研究结果表明:理论计算的暗电流和实际测试结果趋势一致。另外,研制了p-i-n结构器件并与nBn器件进行了比较,测试结果显示:在77 K温度下,nBn器件的暗电流要比p-i-n器件暗电流小2个量级。温度升高到150 K时,nBn器件暗电流变大2个量级,而p-i-n器件暗电流变大4个量级;nBn器件峰值探测率下降到1/5,p-i-n器件峰值探测率下降2个量级。可见nBn器件适合高温工作,适合高性能红外焦平面探测器的研制。

GaAs基短周期InAs／GaSb超晶格红外探测器研究

采用分子束外延(MBE)方法,在(001)GaAs衬底上生长了短周期Ⅱ型超晶格(SLs):InAs/GaSb(2ML/8ML)和InAs/GaSb(8ML/8ML).从X射线衍射(HRXRD)中计算出超晶格周期分别为31.2和57.3.室温红外透射光谱表明两种超晶格结构在短波2.1μm和中波5μm处有明显吸收.通过腐蚀、光刻和欧姆接触,制备了短波和中波的单元光导探测器.在室温和低温下进行光谱响应测试和黑体测试,77K下,50%截止波长分别为2.1μm和5.0μm,黑体探测率Db*b均超过2×108cmHz1/2/W.室温下短波探测器Db*b超过108cmHz1/2/W.

InAs／GaSbⅡ型超晶格的拉曼和光致发光光谱

采用分子束外延(MBE)技术,在GaSb(100)衬底上外延生长晶体结构完整和表面平整的Ⅱ型超晶格InAs(1.2nm)/GaSb(2.4nm)。拉曼光谱表明:随着温度从70K升高至室温,由于热膨胀作用和光声子散射过程中的衰减,超晶格纵光学声子拉曼频移向低波数方向移动5cm-1,频移温度系数约为0.023cm-1/K。光致发光(PL)峰在2.4～2.8μm,由带间辐射复合和束缚激子复合构成,2.55μmPL峰随温度变化(15～150K)发生微小红移,超晶格中InAs电子带与GaSb空穴带带间距随温度变化比体材料的禁带宽度小。PL发光强度在15～50K随温度升高而升高,在60～150K则相反,并在不同温度段表现出不同的温度依赖关系。

InAs/GaSbⅡ类超晶格中波红外探测器

InAs/GaSb II类超晶格探测器是近年来国际上发展迅速的红外探测器,其优越性表现在高量子效率和高工作温度,以及良好的均匀性和较低的暗电流密度,因而受到广泛关注。报道了InAs/GaSb超晶格中波材料的分子束外延生长和器件性能。通过优化分子束外延生长工艺,包括生长温度和快门顺序等,获得了具原子级表面平整的中波InAs/GaSb超晶格材料,X射线衍射零级峰的双晶半峰宽为28.8″,晶格失配Δa/a=1.5×10-4。研制的p-i-n单元探测器在77 K温度下电流响应率达到0.48 A/W,黑体探测率为4.54×1010cmHz1/2W,峰值探测率达到1.75×1011cmHz1/2W。

InAs/GaSb超晶格中波红外二极管的阳极硫化

采用分子柬外延技术，在GaSb衬底上生长了pin结构的InAs（8ML）／GaSb（8ML）超晶格中波红外光电二极管．用阳极硫化和ZnS薄膜对二极管表面进行钝化处理后，二极管漏电流密度降低了三个数量级，零偏阻抗R。达到10^6Q，RoA达到10^3Qcm2．通过测量电流密度与光敏元周长面积比的关系可知表面漏电不是主要漏电成分；电容电压特性曲线表明吸收层i层背景掺杂浓度约4～5×10^14cm．在空气中放置一个月后再次测试，发现响应率和探测率几乎没有变化．与化学硫化和siO2薄膜钝化方法相比，阳极硫化方法是一种更简单和有效的钝化方法．

128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100%截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109cmHz1/2W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.

InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器光电特性理论计算

InAs/GaSbⅡ类超晶格是目前国际上公认的制备第三代高性能红外探测器的理想材料之一,具有能带结构可调、波长响应范围宽、量子效率高、利于实现大面积焦平面阵列等独特优势。为了充分利用这一材料的优点,对材料进行优化设计,采用Kronig-Penney模型对材料的能带结构进行了理论计算;同时,利用输运理论的质量和动量平衡方程对材料的光电导特性进行了计算分析,探讨了这类材料进行非制冷探测的优势。计算结果对深入认识该类材料的光电特性,从而对材料及器件进行优化设计具有重要的指导意义。