InAs/GaSb II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a/a=1.510-4。研制的p?鄄i?鄄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4.541010 cmHz1/2W,峰值探测率达到1.751011 cmHz1/2W。     

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D·bb均超过2×108cmHz1/2/W.室温下短波探测器D·bb超过108cmHz1/2/W.     

2～3μmGaAs基InAs/GaSb超晶格材料

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10 K光荧光谱峰值波长在2～2.6 μm.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.InAs/GaSb超晶格材料的成功生长是制备这类红外探测器件重要的第一步.     

InAs/GaSb超晶格长波红外探测器

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器因其特殊的能带结构及其自身的材料和器件优势,在红外成像技术上具备极大的应用价值和前景,同时在大面阵长波红外探测器及甚长波红外探测器领域展现出优异的器件性能,并推动世界各国对这一低维半导体研究的持续发展,成为第三代红外探测器技术的最佳选择,并在国防建设、医疗、电力、天文学、抗灾方面有着广泛的应用.本文着重介绍了Ⅱ类超晶格长波红外探测器器件的制备、焦平面的成像测试以及器件的相关性能.长波探测器器件在77 K条件下10%截止波长为14 μm,峰值量子效率为35%,峰值响应2.6 A/W,峰值探测率接近1×1010 cmHz1/2W-1.     

分子束外延InAs/GaSb II类超晶格材料

InAs/GaSb II类超晶格由于具有独特的能带结构和良好的材料性能被认为是第三代红外探测器的首选,近年来被广泛研究,并取得快速发展。分子束外延能够精确控制材料界面与周期厚度,是超晶格材料生长的主流手段。利用分子束外延技术在GaSb衬底上分别生长了中波、长波超晶格材料,并对所生长的超晶格材料的性能进行了全面表征,最后用制备的面阵器件验证了该材料的性能。}     

InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流特性分析

利用二极管电流解析模型分析了InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流的主导机制。首先,通过变面积二极管I-V测试证实77 K下采用阳极硫化加SiO₂复合钝化的InAs/GaSb超晶格长波红探测器的暗电流主要来自于体电流,而非侧壁漏电流;然后,利用扩散电流、产生复合电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流模型对InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的暗电流进行拟合分析。结果表明:在小的反向偏压下(≤60 mV),器件暗电流主要由产生复合电流主导,而在高偏压下(>60 mV）,器件暗电流则主要由缺陷陷阱辅助隧穿电流主导。并分析了吸收层掺杂浓度对这两种电流的影响,证实5×1015~1×1016 cm?3是优化的掺杂浓度。     

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廷生长技术研究.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△a/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4.87 μm.     

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2.0～2.6 μm.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.     

InAs/GaSb应变超晶格红外调制光谱研究

在用步进扫描傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared, FTIR)调制光致发光(Photoluminescence, PL)光谱仪进行测试时,基于FTIR的优势,并结合PL无损、灵敏度高、简单的优点,通过减弱背景干扰来提高信号强度。研究了背景噪声、杂质能级和温度对InAs/GaSb应变超晶格材料的发射峰强度及位置的影响,并通过改变测试参数,总结出了针对不同材料的测试方法。这项研究结果对InAs/GaSb应变超晶格材料的外延生长及后续加工具有参考价值。     

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2.0～2.6 μm.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.     

InAs/GaSbⅡ类超晶格与 HgCdTe 红外探测器的比较研究

HgCdTe、QWIP 和 InAs/GaSbⅡ类超晶格被公认是第三代红外焦平面探测器的首选.主要对比分析了 HgCdTe 和 InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器,InAs/GaSbⅡ类超晶格具有响应波段宽且精确可控、工作温度高、载流子寿命长、暗电流低和均匀性好等优点,使其在甚长波、多色以及非制冷红外焦平面阵列等方面具有广阔的发展应用前景.     

InAs/GaSbⅡ类超晶格长波红外焦平面探测器

武汉高芯科技有限公司从2014年开始制备基于InAs/GaSbⅡ类超晶格的长波红外探测器.在本文中,报道了像元规模为640×512,像元间距为15μm的长波红外焦平面探测器.在77 K时,器件的50％截止波长为10.5μm,峰值量子效率为38.6％,当F数为2、积分时间为0.4 ms时,测得器件的噪声等效温差为26.2mK,且有效像元率达99.71％.本文通过分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)技术与成熟的Ⅲ-Ⅴ族芯片技术,成功地验证了在大于10μm的长波波段,用超晶格代替HgCdTe实现国产化并大规模量产的可行性.     

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320256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 kcm2,短波达到538 kcm2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3 m,中波为3~5 m。双色峰值探测率达到中波3.71011 cmHz1/2W-1以上,短波2.21011 cmHz1/2W-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%。     

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40 μm×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6.0×109 cmHz1/2 W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

128x128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/GaSb II类超晶格红外探测器背减薄技术研究

针对InAs/GaSb II类超晶格红外探测器开发高质量背减薄工艺,获得了高质量衬底表面,改善了超晶格红外探测器组件的成像品质。采用机械抛光和机械化学抛光相结合的工艺减薄衬底,其中机械抛光削减衬底大部分厚度,然后通过机械化学抛光去除机械损伤。机械化学抛光过程中,在压力、转速等不变的情况下,主要研究机械化学抛光液的pH值对衬底表面质量的影响。实验结果表明,当机械化学抛光液的pH值为9.4时,获得了高质量、低损伤的芯片衬底表面,并实现了最佳的探测器组件成像效果。     

InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器研究

InAs/GaSb II类超晶格材料是第三代红外焦平面探测器的优选材料。报道了一种面阵规模为320×256、像元中心距为30 μm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面器件。在77 K时,该器件的平均峰值探测率为7.6×10¹⁰ cm·Hz^1/2·W^-1,盲元率为1.46%,响应非均匀性为7.55%,噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)为25.5 mK。经计算可知,这种器件的峰值量子效率为26.2%,50%截止波长为9.1 μm。最后对该器件进行了成像演示。结果表明,该研究为后续的相关器件研制奠定了基础。     

InAs/GaSb超晶格/GaSb体材料中短波双色红外探测器

采用GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格分别作为短波与中波吸收材料,外延生长制备了NIPPIN型短中双色红外探测器。HRXRD及AFM测试表明,InAs/GaSb超晶格零级峰和GaSb峰半峰宽FWHM分别为17.57 arcsec和19.15 arcsec,10μm×10μm范围表面均方根粗糙度为1.82?。77 K下,SiO_2钝化器件最大阻抗与面积乘积值RA为5.58×10~5Ω?cm~2,暗电流密度为5.27×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为6.83×10~6Ω?cm。经阳极硫化后,器件最大RA值为1.86×10~6Ω?cm~2,暗电流密度为4.12×10~(-7)A?cm~(-2),侧壁电阻率为4.49×10~7Ω?cm。相同偏压下,硫化工艺使器件暗电流降低1-2个数量级,侧壁电阻率提高了1个数量级。对硫化器件进行了光谱响应测试,器件具有依赖偏压极性的低串扰双色探测性能,其短波通道与中波通道的50%截止波长分别为1.55μm和4.62μm,在1.44μm、2.7μm和4μm处,响应度分别为0.415 A/W、0.435 A/W和0.337 A/W。     

长波InAs/GaSb II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2.1×109cmHz12/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.