本文關(guān)鍵詞：短波紅外InGaAs探測(cè)器輻照特性研究

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【摘要】：In Ga As材料很好的覆蓋了1~3μm的短波紅外大氣窗口,獨(dú)特的光譜特性使得短波紅外In Ga As探測(cè)器在航天遙感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用�？臻g環(huán)境中存在著大量的高能粒子輻照,會(huì)引起光電探測(cè)器性能的退化甚至器件失效。本論文針對(duì)In Ga As探測(cè)器的航天遙感應(yīng)用,對(duì)探測(cè)器的輻照效應(yīng)進(jìn)行了研究,為保障探測(cè)器在空間環(huán)境中的正常工作提供了參考。研究了微波反射光電導(dǎo)衰退法(μPCD)在材料少子壽命測(cè)試中的應(yīng)用,討論了提取晶格匹配In0.53Ga0.47As層少子壽命的方法,為表征輻照對(duì)材料少子壽命的影響打下基礎(chǔ);比較了ICPCVD和PECVD兩種鈍化方式延伸波長(zhǎng)In0.83Ga0.17As器件的1/f噪聲特性,利用g-r噪聲的溫度特性提取出了缺陷能級(jí),為通過(guò)低頻噪聲來(lái)表征輻照效應(yīng)作了準(zhǔn)備;對(duì)In0.53Ga0.47As和In0.83Ga0.17As器件進(jìn)行了γ輻照實(shí)驗(yàn),采用了非原位和原位測(cè)試兩種方法,研究了輻照對(duì)器件性能的影響,分析了輻照前后暗電流機(jī)制的變化;研究了In0.83Ga0.17As材料和器件的質(zhì)子輻照效應(yīng),觀察了輻照引起材料和器件性能的退化,分析了輻照對(duì)低頻噪聲機(jī)制的影響。探索了利用μPCD測(cè)試提取In0.53Ga0.47As材料的少子壽命。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的多種材料的測(cè)試結(jié)果,分析得出樣品的電導(dǎo)及樣品距金屬平臺(tái)的距離會(huì)對(duì)測(cè)試信號(hào)大小產(chǎn)生顯著影響;在半絕緣襯底生長(zhǎng)外延材料并盡量使得材料的電導(dǎo)低于40m S,以獲得有效測(cè)試信號(hào)。生長(zhǎng)了nin型In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As雙異質(zhì)結(jié)外延材料用于測(cè)試,獲得了有效信號(hào),在假設(shè)In0.52Al0.48As層起到了很好的表面鈍化作用,通過(guò)信號(hào)衰減曲線擬合出的有效壽命即為In0.53Ga0.47As材料的少子壽命。在In0.83Ga0.17As探測(cè)器的低頻噪聲研究中,首先對(duì)兩種不同鈍化方式探測(cè)器的1/f噪聲特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)與PECVD鈍化相比,ICPCVD的主要優(yōu)勢(shì)在于顯著提高側(cè)表面的質(zhì)量并極大地抑制1/f噪聲;反偏下,PECVD和ICPCVD鈍化器件的1/f噪聲分別與偏壓成指數(shù)關(guān)系和冪次關(guān)系;隨著溫度的降低,ICPCVD鈍化器件的1/f噪聲下降的更快,這表明低溫下ICPCVD鈍化的優(yōu)勢(shì)更明顯。根據(jù)噪聲與器件尺寸的關(guān)系,推斷PECVD鈍化探測(cè)器的1/f噪聲主要來(lái)源于側(cè)表面,而ICPCVD鈍化探測(cè)器的主要來(lái)源于體內(nèi)和上表面。還利用g-r噪聲的溫度特性,提取出了不同面積的PECVD鈍化器件中的缺陷能級(jí):In Ga As層中導(dǎo)帶下0.28e V,In Al As層中價(jià)帶上0.39e V和0.59e V。對(duì)In0.53Ga0.47As探測(cè)器進(jìn)行了非原位和原位測(cè)試的γ輻照實(shí)驗(yàn)。在非原位測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,輻照劑量為100krad和300krad,都引起In0.53Ga0.47As器件暗電流明顯增大,增大的主要成分是擴(kuò)散電流和分路電流;輻照后22h,暗電流減小了約40%,然后保持穩(wěn)定,至輻照后240h都基本沒(méi)有變化;根據(jù)不同溫度下的I-V曲線,推出輻照引起分路電流的增加?Ish∝exp(-0.43e V/k T);器件的響應(yīng)光譜及通過(guò)C-V曲線提取的In Ga As層有效載流子濃度受輻照影響不大。在原位測(cè)試實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)在反向偏壓下10rad/s的輻照在器件中產(chǎn)生的光電流約為2n A;此外,輻照還會(huì)通過(guò)引入累積損傷導(dǎo)致暗電流增大,暗電流在輻照停止后的十幾分鐘內(nèi)保持不變;當(dāng)劑量率一定時(shí),器件暗電流隨著輻照劑量的增加而增大,但增大的速度趨于變緩。當(dāng)總劑量一定時(shí),器件接受的輻照劑量率越大,其暗電流的增加越多。采用480krad的γ射線對(duì)In0.83Ga0.17As探測(cè)器進(jìn)行了輻照,通過(guò)非原位測(cè)試發(fā)現(xiàn)輻照對(duì)器件的暗電流和響應(yīng)光譜都基本沒(méi)有影響。研究了In0.83Ga0.17As探測(cè)器和材料的質(zhì)子輻照效應(yīng),質(zhì)子能量為2Me V,輻照通量為2×1013cm-2、1×1014cm-2、5×1014cm-2和1×1015cm-2。輻照后器件的暗電流、低頻噪聲、探測(cè)率和量子效率以及材料In Al As層和In Ga As層的PL譜峰值強(qiáng)度都發(fā)生了明顯退化,但退化程度并不單調(diào)的隨通量的增加而加重,推斷這是由于輻照過(guò)程中不僅僅有位移效應(yīng)引起缺陷濃度增加,還有“輻照引入的排序效應(yīng)”導(dǎo)致缺陷濃度減小。輻照結(jié)束后,器件的暗電流和低頻噪聲都有小幅的恢復(fù)。輻照前后器件的暗電流密度都與P/A比的關(guān)系不大,表明輻照在器件中主要引起了體損傷;隨著溫度的降低,輻照后暗電流的下降要比輻照前慢很多,使得低溫下輻照引起暗電流的退化要更顯著。噪聲機(jī)制分析表明輻照導(dǎo)致器件的白噪聲、1/f噪聲和g-r噪聲都增加。PL譜測(cè)試中觀察到材料In Ga As層中的輻照損傷比In Al As層更為嚴(yán)重,推斷由此導(dǎo)致了隨著波長(zhǎng)增加到In Al As的吸收限附近,器件量子效率的退化程度逐漸加重,之后退化程度基本不變。
【關(guān)鍵詞】：短波紅外 InGaAs 航天遙感 γ輻照 質(zhì)子輻照
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN215
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-30
• 1.1 紅外探測(cè)器的發(fā)展及其航天遙感應(yīng)用12-16
• 1.1.1 紅外探測(cè)器的發(fā)展12-14
• 1.1.2 紅外探測(cè)器的航天遙感應(yīng)用14-16
• 1.2 航天遙感用半導(dǎo)體器件的輻照效應(yīng)16-26
• 1.2.1 空間輻照環(huán)境16-18
• 1.2.2 半導(dǎo)體器件的輻照效應(yīng)18-26
• 1.3 航天應(yīng)用短波紅外InGaAs探測(cè)器發(fā)展26-29
• 1.4 本論文的研究目的和主要內(nèi)容29-30
• 2 理論基礎(chǔ)30-40
• 2.1 光電器件的輻照效應(yīng)理論30-33
• 2.1.1 輻照對(duì)半導(dǎo)體的基本損傷機(jī)制30-32
• 2.1.2 輻照效應(yīng)對(duì)光電器件特性的影響32-33
• 2.2 光電探測(cè)器的低頻噪聲理論33-37
• 2.3 μPCD提取材料少子壽命理論基礎(chǔ)37-38
• 2.4 本章小結(jié)38-40
• 3 短波紅外InGaAs探測(cè)器器件物理研究40-64
• 3.1 引言40-43
• 3.2 μPCD提取晶格匹配InGaAs材料的少子壽命43-52
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)43-45
• 3.2.2 結(jié)果與討論45-52
• 3.3 延伸波長(zhǎng)In_(0.83)Ga_(0.17)As探測(cè)器的低頻噪聲研究52-61
• 3.3.1 實(shí)驗(yàn)52-54
• 3.3.2 兩種不同鈍化方式探測(cè)器的 1/f噪聲特性比較54-58
• 3.3.3 利用器件g-r噪聲特性提取缺陷能級(jí)58-61
• 3.4 本章小結(jié)61-64
• 4 短波紅外InGaAs探測(cè)器的γ輻照效應(yīng)64-82
• 4.1 引言64
• 4.2 實(shí)驗(yàn)64-66
• 4.3 晶格匹配InGaAs器件的γ輻照效應(yīng)66-78
• 4.3.1 非原位測(cè)試66-75
• 4.3.2 原位測(cè)試75-78
• 4.4 延伸波長(zhǎng)InGaAs器件的γ輻照效應(yīng)78-80
• 4.5 本章小結(jié)80-82
• 5 延伸波長(zhǎng)InGaAs探測(cè)器的質(zhì)子輻照效應(yīng)82-94
• 5.1 引言82
• 5.2 實(shí)驗(yàn)82-83
• 5.3 結(jié)果與討論83-91
• 5.3.1 輻照對(duì)器件暗電流的影響83-85
• 5.3.2 輻照對(duì)器件低頻噪聲的影響85-88
• 5.3.3 輻照對(duì)材料PL譜的影響88-90
• 5.3.4 輻照對(duì)器件探測(cè)率和量子效率的影響90-91
• 5.4 本章小結(jié)91-94
• 6 全文總結(jié)與展望94-98
• 6.1 全文總結(jié)94-96
• 6.2 展望96-98
• 參考文獻(xiàn)98-106
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果106

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：824953