摘 要
中波紅外光電探測技術在航空航天，軍事國防，醫療衛生等多個行業有著廣泛的應用，其在紅外偵查，預警，導彈防御等軍事裝備領域收到了國際嚴格管控限制。近年來，紅外光電探測技術的水平正逐步提高，應用范圍和場景也日益擴大，所以對于紅外探測器綜合性能的要求也越來越高，探測率更高、響應速度更快，探測識別的波段范圍更廣等成為目前主要研究目標。為了實現這一目標，紅外光電探測器發展到目前已經經歷了三代。傳統的紅外光電材料如PbS、PtSi、InSb 等難以實現波長范圍的拓展，而 QWIPs由于子帶間躍遷機理導致吸收效率低，目前最成熟的HgCdTe在吸收光譜向甚長波紅外波段拓展時也遇到很大困難。銻化物半導體具有窄帶隙能帶特性，其結構設計靈活，近年來外延生長技術獲得突破，是中紅外波段光電器件的理想選擇。所以目前國際上正快速發展銻化物這一材料體系，更是以其中6.1?為重點，除去各種二元三元或者多元化合物，還發展了各種低維微納結構II類超晶格材料。但是由于傳統pin結構光電探測器本身物理機制的限制，導致其器件暗電流水平有一個限制。所以現在人們很多時候不止在研究新型材料，還在研究新型器件結構來降低器件噪聲，提高器件性能。2006 年，nBn單勢壘新型探測器作為其中一種可以抑制器件暗電流的探測器類型被提出。這類新型探測器是采用增加寬禁帶勢壘的方法來抑制探測器GR暗電流從而提高器件綜合性能。本論文主要是利用先進的分子束外延技術實現高可重復性高質量的材料外延生長并進行相關器件制備，得到高質量高性能的InAsSb nBn結構中波光電探測器，主要研究內容以及成果如下：
（1）系統深入的研究了GaSb以及InAsSb，AlAsSb等化合物的分子束外延的條件，優化了生長溫度，V族元素比例，V/III族元素比例等生長參數，成功將材料的晶格應變控制在約400ppm（50arcsec）以內，原子力顯微鏡（AFM）圖像數據RMS粗糙度<2?，X射線各材料的半峰寬控制在40arcsec以內。
（2）從暗電流成分方面研究了nBn結構與pin結構在暗電流方面的不同，深入了解了nBn結構由于引入寬禁帶勢壘層而帶來了可以抑制GR暗電流這一優勢，而GR暗電流是pin結構紅外光電探測器在低溫下暗電流的主要組成部分。
（3）成功研制了InAsSbnBn結構中波紅外光電探測器單元器件，在-0.2V偏壓下，量子效率能夠達到60%以上，300K時探測器的探測率可以到109cmHz1/2/W量級以上。通過變溫I-V曲線發現在低于180K時，pin器件中GR暗電流逐漸超過擴散電流從而成為主要成分，而nBn單勢壘結構紅外光電探測器中GR暗電流得到了很好的抑制，起到了理論模型中nBn結構應有的優勢。
第1章 紅外探測技術概述 1
1.1紅外光簡述 1
1.1.1電磁波與紅外光 1
1.1.2 黑體輻射 2
1.1.3大氣窗口 3
1.2紅外探測器 4
1.2.1紅外探測器歷史 4
1.2.2紅外探測技術 8
1.2.3紅外探測的優勢及應用 11
1.3 結論 12
第2章 nBn型紅外探測器 13
2.1nBn器件結構及原理 13
2.2 nBn結構的優勢 15
2.3 nBn器件研究現狀 16
2.3.1InAsSb器件研究現狀 16
2.3.2其他材料nBn器件現狀 17
2.4 nBn器件性能參數 18
2.4.1響應率 18
2.4.2量子效率 19
2.4.3探測器噪聲 19
2.4.4噪聲等效功率和探測率 20
第3章 器件制備及表征方法 21
3.1樣品的制備 21
3.1.1分子束外延技術 21
3.1.2Gen20MBE系統 23
3.1.3MBE生長校準技術 25
3.2探測器制備工藝 27
3.3外延材料表征方法 31
3.3.1高分辨率X射線衍射 31
3.3.2原子力顯微鏡 32
3.3.3透射電子顯微鏡 33
3.3.4光致發光譜 34
3.4單元器件表征方法 34
3.4.1低溫I-V測試系統 35
3.4.2光譜響應測試 35
3.4.3黑體響應測試系統 36
第4章 nBn器件外延優化及單元器件性能分析 37
4.1GaSb緩沖層生長 37
4.2InAsSb吸收層外延生長 38
4.2.1生長溫度優化 38
4.2.2V/III族元素比優化 39
4.2.3V族元素比例優化 40
4.3AlAsSb勢壘層外延生長 41
4.4 器件整體外延生長 43
4.5 單元器件性能測試與分析 44
4.5.1 I-V測試及暗電流分析 44
4.5.2 量子效率及探測率分析 46
第5章 總結和展望 51
參考文獻 53
致謝 59
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