InAsSb中波室溫紅外探測器材料的LPE生長及其器件研究
發(fā)布時間：2021-06-29 16:24
提高光電型窄禁帶半導體紅外探測器的工作溫度是當今紅外技術發(fā)展的一個重要趨勢,Ⅲ-Ⅴ族InAs基半導體材料是制備高工作溫度紅外探測器的潛力材料。液相外延是一種近平衡態(tài)的材料生長方法,很適合生長器件級質量的InAs基材料。我們采用液相外延技術生長了InAs0.94Sb0.06和InAs0.89Sb0.11兩種吸收層材料,對應的室溫截止波長分別為3.9μm和4.4μm。采用液相外延技術生長了InAs1-x-ySbxPy薄膜,分別將其作為阻擋層和窗口層材料,設計了p Bin器件結構(p代表p型摻雜的InAs襯底,B代表p型摻雜的InAs1-x-ySbxPy阻擋層,i代表非摻雜的InAs1-xSbx吸收層,n代表n型摻雜的InAs1-x-ySbxPy窗口層),對其結構、光...
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)上海市
【文章頁數(shù)】：125 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
大氣紅外透射窗口[1]
InAsSb中波室溫紅外探測器材料的LPE生長及其器件研究4圖1.3不同材料體系的中波紅外探測器的探測性能比較[13]1.2.3InAs1-xSbx材料研究進展早期關于InAs1-xSbx材料的研究，基本是集中在其外延生長與材料特性等方面[14-17]，并在此基礎上制備了一些簡單器件[18-20]，室溫性能并不突出。直到2006年美國羅切斯特大學的G.W.Wicks課題組[3]提出了nBn勢壘阻擋型紅外探測器結構，使得InAsSb器件在室溫下獲得低暗電流、高探測率成為可能。該結構使用本征的AlAsSb材料作為勢壘層，可以做到只擋多子電子不擋少子空穴（價帶幾乎持平，勢壘高度主要體現(xiàn)在導帶上），該結構消除了Shockley-Read-Hall(SRH)復合電流（200K下紅外探測器暗電流的主要來源），所以極大地降低器件的暗電流水平。與傳統(tǒng)的p-n結器件相比，在室溫條件下有更好的性能。該技術于2010年轉讓給美國洛克希德馬丁公司[9]，得以在軍方有實際應用。后來該課題組又研究了倒置的(Inverted)nBn結構器件[21]，將器件暗電流進一步抑制，不過該課題組沒有對倒置型nBn器件光電響應性能進行測試分析。2006年，美國哥倫比亞大學的H.Shao等[22]人用分子束外延(MBE)方法生長了InAs0.91Sb0.09材料作為吸收層的pBin結構。其中，選用p型的四元合金InAlAsSb材料作為勢壘阻擋層，最終制得的器件室溫下的峰值波長為4.0μm，截止波長4.2μm，峰值探測率D*為2.6×109cmHz1/2/W。同年，英國蘭卡大學的A.Krier等人[23]用液相外延(LPE)方法生長了InAs0.89Sb0.11材料作為吸收層的pBin結構，選用p型的四元合金InAsSbP材料作為勢壘阻擋層，最終制得的器件室溫下的峰值波長為4.2μm，截止波長4.6μm，峰值探測率D*為3.5×109cmHz1/2/W。2014年，美國
InAsSb中波室溫紅外探測器材料的LPE生長及其器件研究6圖1.4以色列SCD公司研制的焦平面在150K和180K下的熱像圖[27]圖1.5美國DRS公司研制的焦平面在150K下的熱像圖[28]圖1.6美國NASA噴氣動力實驗室研制的焦平面在160K下的熱像圖[29]國際上，市場上商用InAsSb探測器目前僅有日本濱松會社一家提供售賣。其生產(chǎn)的P11120-201型號InAsSb探測器，室溫下峰值波長4.0μm，截止波長5.6μm，峰值探測率為3.5~5×109cmHz1/2/W；而使用無鉛、汞和鎘焊接材料的P13243系列型號的InAsSb探測器，室溫下峰值波長4.1μm，截止波長5.1~5.3μm，峰值探測率為0.8~2.8×109cmHz1/2/W。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]銻化銦紅外焦平面器件鈍化前脫水工藝研究[J]. 亢喆,曹海娜,邱國臣,肖鈺. 電子器件. 2019(03)
[2]兩種液相外延模式生長GaAs0.9Sb0.1薄膜的性能[J]. 謝浩,胡淑紅,王洋,黃田田,潘曉航,孫艷,戴寧. 激光與光電子學進展. 2017(11)
[3]InAsSb thick epilayers applied to long wavelength photoconductors[J]. Yu-zhu Gao,Xiu-ying Gong,Guang-hui Wu,Yan-bin Feng,Takamitsu Makino,Hirofumi Kan,Tadanobu Koyama,Yasuhiro Hayakawa. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2013(04)
[4]InGaAs短波紅外探測器研究進展[J]. 張衛(wèi)鋒,張若嵐,趙魯生,胡銳,史衍麗. 紅外技術. 2012(06)
[5]美國洛克希德馬丁公司與其他公司簽訂nBn新技術使用許可協(xié)議[J]. 高國龍. 紅外. 2011(05)
[6]室溫InAsSb長波紅外探測器的研制[J]. 高玉竹,龔秀英,吳廣會,馮彥斌,方維政. 光電子.激光. 2010(12)
[7]Growth and characteristics of InAsSb epilayers with a cutoff wavelength of 4.8 μm prepared by one-step liquid phase epitaxy[J]. Akihiro Ishida. Rare Metals. 2009(04)
[8]用熔體外延法生長的截止波長10μm以上的InAsSb單晶[J]. 高玉竹,龔秀英,方維政,徐非凡,吳俊,戴寧. 紅外與毫米波學報. 2004(06)
[9]InAs襯底上液相外延生長InAsPSb的溶體組份、晶格失配及表面形貌[J]. 張永剛,周平,陳慧英,潘慧珍. 稀有金屬. 1991(04)
[10]砷化鎵、磷化銦化合物的液相外延生長[J]. 毛裕國. 固體電子學研究與進展. 1981(01)
博士論文
[1]InAs基紅外薄膜的LPE生長特性研究與器件結構優(yōu)化探索[D]. 呂英飛.中國科學院研究生院(上海技術物理研究所) 2015
本文編號：3256762
【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)上海市
【文章頁數(shù)】：125 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
大氣紅外透射窗口[1]
InAsSb中波室溫紅外探測器材料的LPE生長及其器件研究4圖1.3不同材料體系的中波紅外探測器的探測性能比較[13]1.2.3InAs1-xSbx材料研究進展早期關于InAs1-xSbx材料的研究，基本是集中在其外延生長與材料特性等方面[14-17]，并在此基礎上制備了一些簡單器件[18-20]，室溫性能并不突出。直到2006年美國羅切斯特大學的G.W.Wicks課題組[3]提出了nBn勢壘阻擋型紅外探測器結構，使得InAsSb器件在室溫下獲得低暗電流、高探測率成為可能。該結構使用本征的AlAsSb材料作為勢壘層，可以做到只擋多子電子不擋少子空穴（價帶幾乎持平，勢壘高度主要體現(xiàn)在導帶上），該結構消除了Shockley-Read-Hall(SRH)復合電流（200K下紅外探測器暗電流的主要來源），所以極大地降低器件的暗電流水平。與傳統(tǒng)的p-n結器件相比，在室溫條件下有更好的性能。該技術于2010年轉讓給美國洛克希德馬丁公司[9]，得以在軍方有實際應用。后來該課題組又研究了倒置的(Inverted)nBn結構器件[21]，將器件暗電流進一步抑制，不過該課題組沒有對倒置型nBn器件光電響應性能進行測試分析。2006年，美國哥倫比亞大學的H.Shao等[22]人用分子束外延(MBE)方法生長了InAs0.91Sb0.09材料作為吸收層的pBin結構。其中，選用p型的四元合金InAlAsSb材料作為勢壘阻擋層，最終制得的器件室溫下的峰值波長為4.0μm，截止波長4.2μm，峰值探測率D*為2.6×109cmHz1/2/W。同年，英國蘭卡大學的A.Krier等人[23]用液相外延(LPE)方法生長了InAs0.89Sb0.11材料作為吸收層的pBin結構，選用p型的四元合金InAsSbP材料作為勢壘阻擋層，最終制得的器件室溫下的峰值波長為4.2μm，截止波長4.6μm，峰值探測率D*為3.5×109cmHz1/2/W。2014年，美國
InAsSb中波室溫紅外探測器材料的LPE生長及其器件研究6圖1.4以色列SCD公司研制的焦平面在150K和180K下的熱像圖[27]圖1.5美國DRS公司研制的焦平面在150K下的熱像圖[28]圖1.6美國NASA噴氣動力實驗室研制的焦平面在160K下的熱像圖[29]國際上，市場上商用InAsSb探測器目前僅有日本濱松會社一家提供售賣。其生產(chǎn)的P11120-201型號InAsSb探測器，室溫下峰值波長4.0μm，截止波長5.6μm，峰值探測率為3.5~5×109cmHz1/2/W；而使用無鉛、汞和鎘焊接材料的P13243系列型號的InAsSb探測器，室溫下峰值波長4.1μm，截止波長5.1~5.3μm，峰值探測率為0.8~2.8×109cmHz1/2/W。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]銻化銦紅外焦平面器件鈍化前脫水工藝研究[J]. 亢喆,曹海娜,邱國臣,肖鈺. 電子器件. 2019(03)
[2]兩種液相外延模式生長GaAs0.9Sb0.1薄膜的性能[J]. 謝浩,胡淑紅,王洋,黃田田,潘曉航,孫艷,戴寧. 激光與光電子學進展. 2017(11)
[3]InAsSb thick epilayers applied to long wavelength photoconductors[J]. Yu-zhu Gao,Xiu-ying Gong,Guang-hui Wu,Yan-bin Feng,Takamitsu Makino,Hirofumi Kan,Tadanobu Koyama,Yasuhiro Hayakawa. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2013(04)
[4]InGaAs短波紅外探測器研究進展[J]. 張衛(wèi)鋒,張若嵐,趙魯生,胡銳,史衍麗. 紅外技術. 2012(06)
[5]美國洛克希德馬丁公司與其他公司簽訂nBn新技術使用許可協(xié)議[J]. 高國龍. 紅外. 2011(05)
[6]室溫InAsSb長波紅外探測器的研制[J]. 高玉竹,龔秀英,吳廣會,馮彥斌,方維政. 光電子.激光. 2010(12)
[7]Growth and characteristics of InAsSb epilayers with a cutoff wavelength of 4.8 μm prepared by one-step liquid phase epitaxy[J]. Akihiro Ishida. Rare Metals. 2009(04)
[8]用熔體外延法生長的截止波長10μm以上的InAsSb單晶[J]. 高玉竹,龔秀英,方維政,徐非凡,吳俊,戴寧. 紅外與毫米波學報. 2004(06)
[9]InAs襯底上液相外延生長InAsPSb的溶體組份、晶格失配及表面形貌[J]. 張永剛,周平,陳慧英,潘慧珍. 稀有金屬. 1991(04)
[10]砷化鎵、磷化銦化合物的液相外延生長[J]. 毛裕國. 固體電子學研究與進展. 1981(01)
博士論文
[1]InAs基紅外薄膜的LPE生長特性研究與器件結構優(yōu)化探索[D]. 呂英飛.中國科學院研究生院(上海技術物理研究所) 2015
本文編號：3256762
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