（凝聚态物理专业论文）共振腔增强gainassb红外光电探测器研究.pdf

枣掣：颊 + 学链诧文 中史摘篮 壤簧 与铃镜p i n 鳃梅躲搽测嚣鞭魄，共滚腔增强溅( r e s o n m _ l tc a v i t y - e n h a n c e d ， r c e ) 毙电滚测嚣能裂器重具霄缎藩 | 藿予效攀襄禳灌鹃带爨，姆裂逡臻子巍速搽测 中。本文对r c e 光魄探溅爨杰篷符了碳究，设计出g a l n a s s br c e 器传的缓梅， 并且黠嚣锌避孬| 中箨挺摸援。瑟m o c v d 懿方蕊生长囊p i n 鬃稳勰g m n a s s b 红 辨探测器瓣奉喜，势潮佟出糕俘。舔引算撬模羧出潮 乍瓣器传的竞瀵冁应，并与测 爨熬藜暴避孬愆较。 分褫了菸摄麓增强甄静狳溺辩靛特惑，详细讨埝了共羰焱增强鳖探溅精靛量 予效察，l 荠虽讨论了上反辩镰瓣缀收对器体鬃予散率麴影酶。详瓣讨论了共掇腔 对量子效率麓影潮，褥到菸掇腔靛晶瘦戳予q 德越丈，共壤腔聪嚣件爨予效率 的掇瓷瞧越大约结象。谨缠讨论了影喻共振黢增强蛩探测器鬻宽的几个闲索。为 设谤凄洼戆巍磐的寰e e 搽测臻提供了理论漤备。 论毯了g a s b i n a s 黧分之一波壤( q w s ) 佟为王佟农2 、4 9 i n 於g a l n a s s b r c e 搽溅蘩中d b r 豹霹嚣毪，莠蘑t m m 浚诗露鼗 g a s b ，2 n a sq w s 豹爱嚣率及穗蓼。 竣诗窭犟孛敲衬麟入羹季豹g a t n a s s br c e 探测嚣缝搦，对器馋煎链进行了数壤 模援，并详缀讨论了g a s b i n a sq w s 豹凝瓣率、褥舔及英啜救对耩静髓辘蕊影 酾。没诗的瓣传矮餐双蟪嗡蔽鞠特点，霹捧为双氆搽溺瓣。 丽m o c v d 法铡卡搴出p i n 缭稳的g a l n a s s b 瞧外深濑箍穗料，并显涮彳笮密探 钡l 爨器件，霹嚣耱戆巍港避嚣了测量。疆讨葵魏摸掇翡方法褥铡p i n 避g m n a s s b 戡羚攘测器农5 0 0 k 罴绱辐射源熟照瓣下黥龙谱卿应，并与实际的测量髂鬃进行 了 鞍。魄羧结祭显霉，诗冀绪聚与实验结聚毙较接近，其豢要翁不曩点在予爆 撼搜覆耱蒺o 。0 7 9 r a ，莠褒长波方自主诗箨筑镶勰。这袭甓，弱汁冀壤楼撅熬方 法哥戳黎爨较鸯壤臻戆结鬃。 关键溺：蠹芥搽灏器，共振靛蹭强，g a s b i n a s ，努每式南箍穰最瓣镶， o a t n a s s b g a s b ，m o c v d 皇兰：篓! ：兰垡鎏塞 茎篓墼望堡垒! ! ! 苎塑竺丝堂生堡型避业壅 a b s t r a c t t h er e s o n a n tc a v i t ye n h a n c e d ( r c e ) p i n p h o t o d e t e c t o rh a sh i g hb a n d w i d t h a n d h i g hs e n s i t i v i t ys i m u l t a n e o u s l yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lp i np h o t o d e t e c t o r , i nt i f f s t h e s i s ，w eh a v ed e s i g n e dt h es t r u c t u r eo f g a l n a s s b g a s bp h o t o d e t e c t o ri nw h i c ht h e l i g h ti si n c i d e n tf r o m t h es u b s t r a t e t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v i c eh a sb e e ns i m u l a t e d t h eg a l n a s s bp i n p h o t o d e t e c t o ri sp r e p a r e db ym o c v d ，t h es p e c t r a lr e s p o n s e o f t h ed e t e c t o ri ss i m u l a t e da n d c o m p a r e d w i t ht h em e a s u r er e s u l t 。 t h ec h a r a c t e r i s t i co fr c e p h o t o d e t e c t o ri sa n a l y z e di nt h i st h e s i s t h ef o r m u l a o f q u a n t u me f f i c i e n c yi sd e r i v e da n d t h ee f f e c to f t o pr e f l e c t o rt oq u a n t u me f f i c i e n c y i sd i s c u s s e d t h ee f f e c to ft h er e s o n a n tc a v i t yi sa l s od i s c u s s e d i ti si n d i c a t e dt h a tt h e r e s o n a n tc a v i t yw i t hh i g hqw i l le n h a n c et h eq u a n t u me f f i c i e n c yg r e a t l y , e s p e c i a l l y t h eh i g h e rq ，t h em o r eg r e a te n h a n c e m e n t t h er e s p o n s eo ft h er c e p h o t o d e t e c t o r h a sa l s ob e e na n a l y z e d t h ef e a s i b i l i t yo fg a s b i n a sq w su s i n ga sd b ri ng a l n a s s b g a s br c e p h o t o d e t e c t o ri sd e m o n s t r a t e d t h es t r u c t u r eo fr c e g a l n a s s b g a s bp h o t o d e t e c t o r t h a tt h el i g h ti si n c i d e n tf r o mt h es u b s t r a t eh a sb e e nd e s i g n e d t h et o pr e f l e c t o rf o r t h i ss t r u c t u r ei sm a d eo f 9 5 1 5 5p e r i o d sg a s b i n a sq u a r t e rw a v e s t a c k s ( q w s ) a n d t h eb o t t o mr e f l e c t o ri sm a d eo ft h r e ep e r i o d so fs i o j s iq w s 。t h ea n t i r e f l e c f i o n c o a t i n gw h i c h h a sm o r et h a n9 9 t r a n s m i s s i v i t ys h o u l db ed e p o s i t e do nt h es u b s t r a t e s u r f a c e ，t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h eq u a n t u me f f i c i e n c yc o u l db en e a r l yo rm o r e t h a nt o9 0 a t d e s i g nw a v e l e n g t h2 4 9 i n t h ec u t o f f w a v e l e n g t ho f t h ed e t e c t o r si si n t h er a n g eo f 2 ，4 8 - - 2 5 6 p m i ti ss h o w n t h a tt h ed e v i c eh a st w o s p e c t r a lr e s p o n s ep e a k s w h i c hc o u l dm a k et h ed e v i c ef u n c t i o na sd o u b l e ，c o l o rd e t e c i o r t h es p e c t r a lr e s p o n s eo fp i ng a l n a s s b g a s bp h o t o d e t e c t o ri r r a d i a t e db y5 0 0 k b l a c k b o d yr a d i a t i o ns o u r c ei ss i m u l a t e da n dc o m p a r e dt ot h ee x p e r i m e n t a lo n eo ft h e d e v i c ep r e p a r e db ym o c v d i ti ss h o w nt h a ts i m u l a t i o ni sc l o s e dt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t 。t h em a i nd i f f e r e n c ei st h es p e c t r a l r e s p o n s ep e a ko fs i m u l a t i o n i s 2 0 7 | j u n l 李掣：碳1 学位论史 英文摘要 w h i l et h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti s2 0 25 t m t h ev a l u eo fs i m u l a t i o ni nt h el o n gw a v e r e g i o ni sh i g h e r k e y w o r d s ：r c e ，p h o t o d e t e c t o r , g a l n a s s b g a s b ，g a s b l l n a s ，r e f l e c t i v i t y , q u a n t u me f f i c i e n c y m o c v 0 未经本论文 乍者的书蘧授权，依法牧存秘保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作衩的商盐性使 焉( 僵缝使用不在她限 。否则，应承攫侵投翡法霉责 任。 尘兰：型! ! 堂些婆苎 苎堑鉴些堡垒! 塾垒! 塑竺丛垄燮型! 垒 第一蘑：红外探测器的发展 1 红夕i 探测技术的发疑 红外技术在现代科学技术中占有十分重瑟的地位。作为光学辎甜豹一部分， 红终辐射在电磁振荡波谱中所占据的波段为o 。7 6 1 0 0 0 l m 。红外波段一般分为 四个部分：近红外( = o 7 6 3 “m ) 。中红外( 3 6 l m ) ，远红外( 6 1 5r t m ) ，甚远 红外( 1 5 1 0 0 0 弘m ) 。这罩孛划分的逻毒嚣与大气密曩整切稳关。辑谓骢大气塞曰印 是在菜一波段范围内，大气对红外辐射的吸收最小，红外辐射可以传播的更远。 在_ l 霞红羚、中红辨、远红羚各有一个大气露溺，分澍为 3g r n 、3 5g m 、s 1 2p m 。 俸为搽溺红外光线鞠红步 探涮器是红羚仪器中不可缺少的元件，由它褥光辐 射转换成便于直接测量的电学量或其它某种可测量。目前，各种类型的红外探测 器已广泛应丽于成像、跟踪制导、偾察、顸警、遥感、微弱信号检测以及辐射测 量、彝动控制和激光探测、资源探测、大气贬测、光通讯等谗多方蕊。 红外探测器根攒作用原理可分为热探铡器和光电红外探测器。热探测器的机 理是蒺些物璎量随着入射数辐射遥鬟馋曩孳l 怒数漫壤变化嚣交化，它与九射辐懿 的光谱成分觅关。热探测器戗括测辐射热计、温差电偶、热释电探测器、声光探 测器警。光邀深溺嚣涮是剥蠲敏感元件材籽灼龟子积八蔚竞予之阂静袁绩 乍瓣两 产生的电压或电流信号来测墩红外辐射的强度。光电探测器的类型有光电管和光 电倍增管、光敏电阻、结探测器等。从梳理上分，光电探灏器又可分为壳导型、 光伏型，这是两种应用范围最广的鼹个类型，此外逐有扫积裂、光磁电型、肖特 基势德二极管等。 历史上级外探测器是赫盼尔( h e 撼h e l ) 在1 8 0 0 年瘸涂黑的温度计发理毁羚线 以后出现的。在这以后的三十年训，红外研究的进展是比较悛的。其中一个嫩要 懿溅因是缺乏灵敏兹积壤确浆擐测嚣。到了1 8 3 0 年以囊，已经有了一些鬟溅爨 可以使用，这些探测器都是利用物质以温度为函数的各种物理特性，麒中温麓电 李军：坝l ：学位论文共振腔增强g a l n a s s b 纽讣光t k 探测嚣蝌究 效应( 18 2 6 年赛贝兜发现) 和电阻率是比较灵敏的两个特性。这必红外探测技 术舀勺发展，也为整个物理学的发展作出了一些极为羹要的贡献，如对麦克新书电 磁波的验证期对黑体辐射的研究等。在宽广f 红外波陡范国内对麦克颧韦f b 磁波 进行的验证比在可见光范锄内的验证更为准确。而对黑体辐射的研究，通过解决 经炎物理学鼓怨爨与实验练袋之瓣蜒矛露，最终导数1 9 0 0 年凿期霓懿量子缎设 的出现，这个划时代的似i 殳成为量予物理学的基础。 红卦靛箨受重季凳，特剐楚宅在军事 二静鞠委应溺。是箕嚣菠震瓣灵敏霸爱迅 速的探测器的原因。照然光电效应早在十九世纪就已经在可见光及紫外辐射波段 观察鳓，毽怒利用热辐射壳予特性的红外揉测器弱二十餐纪才出现。二十毽纪红 外探测器的殿重要的发展是利用“固体的光电效应”进行工作的光f 赶探测器。由 于这种器件依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要经过加热固体的中间过程， 因聪这类搽测器鲍反应快，嚣 牛响应时阍取决于囊| 囊载波予靛寿命，这是楗糖鲍 一个特性；此外这类探测器般都比较可靠，能在恶劣的条件下工作。虽然翠在 1 8 7 3 年s m i t h 藏发现了光电辱效应，1 9 t 7 年c a s e 涮残t 藏优链光电导搽测器， 它的灵敏波长到1 2 u m ，但魁在o u d d e n 和p o h l 的工作以前，对这种探测器的工 雩# 孛a 理是不了簿豹。德琶入东1 9 4 0 年以静开始澍p b s 光毫譬深澜器进行了大量 的研究和发展的工作。随着半导体技术的发展，能带结构和输运过程的大量研究， 导致了红外技术，特别是掭测技术与应用的快速发展。在六十年代卒刀期，l 3 n m 、 3 5 9 m 、8 1 2 1 a m 遮三个燕要的大气窗口都捌有睦能较好和较为可靠的光魄探 测器，其主爱的材料是铅盐半导体( 如p b s n t e ) 。在七十年代，居主导地位的足 i n s b 葶嚣h g c d t e 之类瓣半导体材辩。涟入a 卜年 弋，随着半导 誊曩艨绩翻舅溪结 的发展，光伏型探测器渐渐成为热点。光伏型探测器比光导型探测器具有更快的 搽攫l 速度，鸯裂予鬻速裣溅；这静绥孛鑫还舂髑予翻域两缍嚣阵，能够窝c c d 藕 合组成焦平丽列阵( f p a ) 系统。八十年代中后期，人们发现量子阱结构可以为 宽禁带半导体打开薪的应灞领域，箕嫠本蘸瑷便是利_ 需导带内的子带间跃迁 强1 。 设想的第一种应用就是f 扎逸红外( m l ra n dl i r ) 探测器的应用，也就是量孑阱超 晶格结构探测器。如g a a s g a a i a s 共振隧穿超晶格红外探测器i 3 j ，探测波长达到 1 0 ，8 耻m 。量予阱红外探测器具有许多优点，如：具有照好的热稳定性，鞍强的抗 辐射干扰能力；而且最予效率高，响应速度快，探测率与h g c d t e 探测器接近， 探瀑波长可以遥过改变量子瓣参数溺谴；裂怒金嚣鸯凝讫掌气疆沉壤( m o c v d ) 李军：碳 学位论文 然一章：红讣搽测器的发胜 和分予束外娥( m b e ) 等先进的生长工艺可生长出高质量大面积均匀多量子阱材 料，容易做域大面积的探铡嚣列阵。翻 乳纂于 i v 族半姆体的新受量子辩结 构材秽 发展锶很快，它所提供的成蒙演示系绕结果已经不监于用p b s 、h g c d t e 和i n s b 所获得的结果。但总的来说，量子阱超品格结构探测器及其红外成歙系 统还处于深入磅究除段。 目前，红外探测器件的研究集中予扩展波长响应范围、提高室温探测率， 良达到理逢缀陵，并淹大覆辍躲红乡 焦平委魏障方囱发震。嚣辨，挺赢擦渊器磐 响应速度以邋应通讯应用的需要也魁一个重露的研究方向。在红外成象方面，将 主要楚酶低象元尺寸、增蕊象元数嚣，潋及开发“彩色”成象仪、多光谱红舞裁 象。红外探测器的研究与应用也大致分两个方面，一个方面是高精度、高稳定性 红静探测器在太空探铡和分予光谱学方面的应用戳及用予红外成致系统的雾像 元红外焦平擞列阵在攀事方颓的应用，红外焦平面列阵的像元数已缀从1 9 7 8 年 的3 2 3 2 元发展到今天的2 0 4 8 x 2 0 4 8 元” 。在今后的十年肉，其规格很可能会 继续发鼹裂与裹： 毒漤度电褫秘蕺容，当然这攘爨锌鄂是攫器爨款。贯一个方露是 在廉价的普通民用方面，要求探测器能在室温工作并提供相应的探测度，主蒙应 露予大气嚣缓篷测、汽车尾气整溺箨资源探渊等领域中。 随后红外探测器的研究和发展爨点，会渐渐地由侧重研究各类新材料的完 整褴猁铡重予潋电荷耦合器件遂辑信号处理和夕 差信号处瑷为手段的信息检索 技术。以便邋过目标发射和反射的红外辐射，从复杂景物中掇取目标的一些焦要 信息。 2 红外探测器分类与比较 任秘遗壤高于绝对零凄懿物锌都会产生毁步 辐瓣。据秘羧测它夔存在，测定 它的强弱并将其转变为其它形式的能嶷( 多数情况怒转变为电能) 以便应用，就 跫红多 探溺嚣戆主要任务。红多 臻溅器是氯癸系统中藏关键豹元件之一。红静搽 测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能优良的材料就制备不出性能 优异静红外搽测器。 按探测器工作机理区分可将红外探测器分为热探测器和光子探测器。 李车：f 女 。学位论文 共振脏增强g a l n a s s b 红外光l 也探测 研究 删 敏f 乜阻 卜热电锻 r 热探测器| i 卜一气体探测器 ll 一热释电铁电攘溅器 探测器1 ir 一光r 妊子发射器件 | 卜一光电导探_ ；羹l 器 l 光予探测器l 卜光伏探测器 l 一光磁电探测器 一、煞探测嚣 吸收红外辐射后热探测器会产生温升，伴随着溉升而引起某些物理性质的变 化，如产生溢差电动势( 溢麓效应) 、电阻率交纯( 渊辐射热计效应) 、自发缀纯 强度变化( 热释电) 、气体体积和压强变化等。测爨这些物耀性质的变化就可以 测餐出它们吸收光辐射的能量或功率等参数。利用箕中某一种物理熬的变化就可 以制成一秽炎型的热搽测器，因恧热探测器霹分下列四零孛： 1 热敏电阻 2 。热毫镁 3 气体探测器 4 。熬释嘏探溺嚣 热探测器不需要致冷就能在室漏下工作，比光予探测器有更宽的光谱响应范 淘，可在从x 射线至n 毫米波段范酮内使用，是一种对缀大波长范阐的辐射都其 有棚同响应的无选撵性探测器。但实际上此炎探测嚣对某些波长的数步 辐射抟响 应偏低，等能量光谱响应曲线并不题一条水平直线。这主要是由于热探测器材料 对不羼波长f 擘鲤努辐射款轰辫和吸收存在羞暴造成熬；攘测器废较，j 、。 二、巍子搽溅器 光子探测器可盥接把光辐射转变成电信号，它的工作原理是基于光电效应， 不需要如热探测器那样经过加热体的中闻过程，因就反应这度快。光予探测器是 指入射在光探测器上的光辐射能，它以光子的形式与光子探测器材料内受束缚的 电子相互作用，从而逸出表黼或释放出电子来参与婵电的器件。它主要包括： 1 光电予发射器件 4 李掣：娥i 学位论文 第一章：红外撵测器的发胜 2 光电导探测嚣 3 光茯探测器 4 ，光磁r 乜探测器 三、热探测嚣与先子探瀑鼗翘性襞魄较 热探测器与光予探测器棚比，只有以下明显的特点： 1 热掭溅器一般在室滋下工馋，不震要数冷；多数竞予探溅器登矮工雩挈窿低 温条件下彳疑有优良的性能。 2 热探溅器对备耱波长豹红强辐射均奇效应，怒无选择往探测嚣；光予深测 器只对短于溅等于截止波长的红外辎射爿有响应，趋有选择性的探测器。 3 熟探测器的响应率眈光子探测器的响应率低l 2 个数量缀，响应时间比 光子探测器的长得多。但热探测器逖价低，使用方便。 对于光予探测器，高廉灏的材料是决定器件性能指标的关键因索，特别是器 l 牛吸收层材料的剖冬露器 牛缝橡直接决定了器件的搽溅范围、搽滚l 枣、响应察隧 及使用温度筇。新的红外材料的制备和材料结构方面的进展鼹红外技术发展的基 萋娄。与二卡年戳 ；誊穗跑，材秘方瑟瓣发矮是极其逐逮豹。献孛才辩方褥来说，红辨 光电探测器分为薄膜多晶型、掺杂型和单晶型三类：属于第一类的是硫化铅 ( p b s ) 、硒纯锈( p b s e ) 和碌纯锻( p b t e ) 探澜器；第二炎为掺不闻杂质酾锗、硅探测 器；第三类烂锑化物( 如i n s b 、i n a s s b 等) 掇测器、i i v i 族( h g c d t e 、h g z n t e ) 探 测器、铅虢半导体( p b s n t e 和p b s n s e ) 探测器以及i n g a a s i n p 、g a a s i g a a l a s 量 子阱结构探测器。其中最主凝的是繁三类单嚣型探测器。以下是常见灼几静探测 器及其材料： 1 i i 一旗材料探测器。 这类探溺器耪籽主要是h g 。c d h 强弱、 g 。z n i x 强嘲傣耱精耧h g t e c d t e 超晶 格【7 “。h g 。c d i x t b 合金是当今最广泛应用的高性能红外探测器材料，属直按能 隙半母体，禁带宽度随合金缀分连续变纯。箕组分可以在x = 0 5 2 o 1 9 范围内调 整，从而提供分别从2 1 6 _ t m 不等的截止波长，可以满足多釉红井系统的要求。 h g c d t e 探测器灵敏度高，在8 1 2 1 a m 波段的应用中一直占主导地位，也常应用 于3 5 9 m 波段，可嬲予直接搽溅毒n 夕 差攘测。出予它毂毫遽峻应，怒尊激毙壤 李军：硕i 学位论立 共振腔增强g a l n a s s b 红外光u 探测 砷f 究 射探测十分有利，特别是用于光通讯或铂! 激光雷达中作1 0 ，6 恤mc 0 2 激光外差探 测。在热成象应用方面除了用于第一代系统( 通常采用少于1 0 0 元的线列阵) 以外， 还能组成红外焦平面列阵探测器用于第二代红外系统，这是人们剥光伏型 h g c d t e 探测器的主要兴趣所在。在8 1 2 “m 波段应用中，还没有那一种材料能 与h g c d t e 相匹敌。但h g c d t e 的带隙、载流子迁移率、有效质量、本征赞米能 级等对组分和温度依赖非常强烈，因此，h g c d t e 红外探测器的光电效应强烈依 赖于其合金组分和工作温度。而f t g c d t e 合金系统中，由于h g t e 弱键在与c d t e 合金时不稳定，且由于h g 蒸气压高，h g 原子易于扩散，从而引起品格、组分、 表面和界面的不稳定，器件在使用中探测波长易发生漂移，各层之间的相互扩散 也使p - n 结特性降低，这一缺陷直接影响了h g c d t e 探测器的稳定性和使用寿命。 另外，h g c d t e 探测器需在低温下工作( 一般需低于液氮7 7 k ) ，这也限制了它的 应用范围。 2 铅盐红外光电探测器。 人们对铅盐探测器的研究由来以久，对其特性已经很熟悉。在所研究的各 种铅盐中，只有p b s 和p b s e 探测器实现商品化，3 0 多年来被广泛应用于科研、 商业和军事中。另外，p b s n t e 探测器是铅盐光电探测器中研究得较多的器件， 尤其是在8 1 4 9 m 波段，具有良好的探测性能f 9 _ l2 1 。但p b s n t e 极易受机械应力 损伤，制作过程中，电极键合的方式和技术是影响器件性能的关键之一。现在对 这种材料的研究已经较少了，主要是由于p b s n t e 材料的介电常数高，导致二极 管的高电容，限制了器件的频率响应。这种探测器也需在低温下工作。 3 锑化物红外光电探测器。 以i n s b 为代表的锑化物红外材料，如i n a s s b 、g a l n s b 、g a i n a s s b 、i n a s p s b 等，在近十几年罩引起人们的极大兴趣，在国际会议上锑化物的研究工作报告往 往专门辟为一个专题。锑化物器件的工作波段基本上集中于1 3 u m 和3 5 9 m 波段，i n a s s b 超晶格结构器件利用子带问跃迁，可工作于8 1 2 9 m 波段。与 h g c d t e 相比，锑化物半导体的优势在于：( 1 ) 其组分波动对材料禁带宽度的影 响小，器件稳定性好，寿命较长；( 2 ) 某些锑化物红外探测器件可在较高的温度 下工作，如光谱响应在1 8 2 3 u m 的g a i n a s s b g a s b 探测器可以在室温下工作； 李军：坝f 学位论义 第一章：红外探测 捧的发展 ( 3 ) 利用i i i - - v 族材料与器件工艺发展成熟的优势，更易于制备和集成。 3 5 u m i n s b 红外探测器，实用化器件探测度已达到d + 1 0 c m h z i 2 w 。1 量级。m b e 生长的实验室阶段器件，7 7 k 的探测率高达5 7 1 0 “c m t i z - w 。 已有报导l p e 生长的i n 0 8 9 a s oi l s b g a s b 光二极管，7 7 k 探测率达d + 4 1 0 ” c m h z l 2 , w 。这些都达到了h g c d t e 器件的水平。 i n s b 和i n a s s b 红外焦平面列阵器件生产水平已达2 5 6 2 5 6 元，实验室水 平达到1 0 2 4 1 0 2 4 元 1 3 1 。海湾战争中多国部队使用了高性能的1 2 8 1 2 8 元i n s b 红外焦平面列阵探测器，在空战中，利用此焦平面列阵器件可以获得清晰的敌机 图像。美国a g m l l 4 型“地狱火”红外成象制导导弹采用了1 2 8 1 2 8 元i n a s s b 列阵器件，工作波段3 4 4 0 a m 。 但大部分锑化物红外探测器也需在低温( 7 7 k ) 下工作，不利于野外和军事上 的应用。 3 红外探测器性能的参数及提高其性能的方法 为了衡量探测器的性能，人们定义了一些红外探测器的特性参数，用它们来 描述探测器的信号和信号噪声比值与入射辐射波长和功率的关系。这些参数主要 有： 1 响应率：这是探测器输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。一般来说它 具有平滑的锯齿形，这是光子探测器的特征。 2 光电流：光子激发的电子一空穴对被空间电场分丌后形成的电流，它来自待 测物体的信号辐射，或者来自背景中的辐射。 3 光谱响应：探测器输出信号随输入信号波长变化的方式。 4 响应时间：在探测信号时，探测器输出电压从开始上升至到达一个稳定值需 要一个时间，当信号突然停止后，输出电压回到原来的大小，也需要一个时 问，这两个时问一般是相等的，称为探测器的响应时间，也称为时间常数， 它标志探测器的工作速度。光伏型探测器的时洲常数取决于载流子进入结的 的扩散、在结电场中的漂移和结电容三个因数。 5 量子效率：定义为每个入射光子产生的贡献于光电流的电子数目。为了提高 李掣：嫂l 学位论文 共擞腔增强g a l n a s s b 红外光l 也探测器蛾究 爨子效率，可以采用以下的方法：提高吸收层吸收效率，即让吸收层尽量吸 收入射光子：掇高少予寿命，减少复合率。 6 。噪声：这是指物理过程的本身所决定的噪声，不包括测攮没螯不当或出外来 = f 扰引超的噪声，噪声特性反映了探测器的载流予的产生和复合。 7 。唆声等效功率：当入瓣辍魅瓣功率馒搽测嚣的镰爨电滚莘鞋电压正好等予臻测 器的噪声电流或电压时，这个辐射功率就称为噪声等效功率，它与探测器的 悫学截嚣穰及带宽有关。 8 探测度：这是一个与面积无关的值，它用噪声等效功率的倒数并用平方根面 积关系折算到搽测嚣单位面积鲶值来表示。它鬣接由量子效率和嗓声电流控 制。可以用探测度来比较不同搽测器的性能。 由以上的参数可以看出，光茯搽测器的憔能主婴由器件的量子效率和各种噪 声机制引起的暗电滚决定。除了器件表蔼反射损失外，由于器件表露态和辫卷季体 内攒伤等一然复合机构的存在，使得少数载流子在扩散过程中产生搬大的复合损 失，从两疆粼了量哥效率；除了结本骞少予扩赦电滚势垒嚣产生复合电流豁， 由于农面损伤引入的表面漏电流、结掺杂浓度、深能级引入的直接与间接隧道电 流搀藏了光佼探测嚣嬉电流豹主要瓤橇。为了褥到麓静搽溺率，逶常要有商豁量 子效率与尽可能小的暗电流。以下的方法可以用柬提高探测度： l ，采用合遥的材料，材料本身对探溺器的影确是徽大的，如对于g a i n a s s b 材 料来说，合适的鳃分是很重要的。 2 改善材料韵参数，如增加少子的寿命，减少少子的复合率，找到合适的掺杂 等等。 3 改善器件的结构，如采用r c e 结构束提高量子效率等。 4r c e 红外探测器 在瑗 弋红舞援术中，撵篱探测器弱嚷瘦速度疆遥痤逶谶离速菱鼹翡需螫是一 个重要的研究方向。现在商用光纤通信系统的速率已从2 0 年前的4 9 m b s 增加到目 翦的1 0 g w s ，增秘y 2 0 0 多倍。普通的p i n 巍电探灏器和雪崩二极管a p d 对数弼 信号速率l o g b s 的响应没有问题。但是如果想要继续提高响应速度还会有豳难， g 李年：硕l 学位论文 第一章：红外探测； 的发展 这是由于普通光电探测器的响应速度与吸收层的厚度成反比，而量子效率却与吸 收层的厚度成f 比。要获得更大f l qn l ；, l 应速度，需要减小吸收层的厚度，这会导致 量子效率的下降。因此在i 响应速度和量予效率这两个重要性能参数之洲存在相互 制约的关系。针对这种情况，人们分别提出了两种解除此制约关系的新颖结构、 它们分别是 1 4 i r c e p d ( 谐振腔增强型光电探测器) 和w g p d ( 波导型光电探测器) 。 此外，对s l a p d ( 超晶格雪崩二极管) 、m s m ( 金属半导体金属) 光电探测器和 u t c p d ( 单度越载流子光电探测器) 的研究也都取得了很好的结果。这几种新型 光电探测器中有的已经在高速光纤通信系统中应用，有的很有希望在未束的高速 光通信市场中占有一席之地。 从结构上看，常规的光伏型光电探测器都是p - n 型或p i n 结构。近十年来， 具有r c e ( r e s o n a n t c a v i t y e n h a n c e d ) 结构的新型光电探测器受到人们的广泛关 注1 1 ”j 。对于红外探测器柬蜕，良好的波长选择性，具有很高探测率和量子效率， 以及很快的响应速度是至关重要的。但是，对于常规结构的红外探测器来说，入 射光只能单次通过激活区，吸收效率较低。为了提高吸收效率，必须增大有源区 的宽度，但这使得响应速度难以提高。新型的共振腔增强( r c e ) 探测器将传统的 p i n 探测器放入法布罩一珀罗( f a b r y p e r o t ) 腔中，由于上下反射镜的多次反射，吸 收效率大大提高，使得很薄的吸收层就可以得到很大的量子效率。同时特定波长 的光在共振腔中形成驻波，进一步提高了探测器的量子效率。由于吸收层厚度的 减小，探测器的响应速度能得到很大的提高。光电探测器的这些特点使得它已逐 渐成为一个新的热点。r c e 结构可用于p i n 、s c h o t t k y 、m s n 、a p d 等多种类型 的光电探测器。第一个r c e 型p i n 光探测器是由d e n t a l 等人报道的 i n g a a s i n g a a s p i n p 结构【l “，工作波长在1 5 5 1 r n 附近。目前的r c e 探测器的带 宽可以超过1 0 0 g b s 2 0 1 。r c e 探测器的发展，为红外技术在通讯、军事、环保等 上的广泛应用增加了新的活力。 5 本文的工作 随着计算机模拟方法的广泛应用，近二十年来，材料和器件的计算机模拟也 逐渐丌展起来。器件性能的好坏很大程度上取决于材料性能的匹配和结构设计的 9 书每：坝1 1 学位论文越擞脏增强g a l n a s s b 虹外光i e 搬测秣 l | _ 究 楚否台璎。传统的器件试制包括铷造中的许多反笈实验，直到矮艏瓣殴计条髂被 确囊为虫。随薏嚣俘结构躲复杂纯，这秘反复实验艇传羧方法导皴实验爨强的赢 弱积时间的极大浪赞。丽在实验过程和嚣伊l ：发展中威用计算模拟的数篮分瓣手段 已麓涯骥了爨一秘经济嚣叉霄效秘方法。尽餐这秘分褥续象不憩究全致瀵爱簦实 黢，但是国予津瓣结果绘实酝裂造条件攥镞一个缀赔预测，爱复实骏躯次数露太 大减少。邋逶计舞辍穰羧镁溺箍佟赫兹秘秘榜皋事瓣参数，我国最铙纯懿器释络秘 鞠稻应辫奉孝瓣参黢，铰嚣 牛瞧篷达翻最佳状念，簌嚣躐少实验次教，撬藩搿究熬 寒。 率文赞对r c e 睬测器瀚研究，蠲计簿规模拟静方法，设谤爨共振黢增强囊 g a l n a s s b 探灏嚣的络擒，并殷模缎呶器件的性能。用m o c v d 的方法制造出p i n 缱鞠豹g a i n a s s b 红辨搽测器，并翊计算壤模拟麴方法旗计掇它翡嫂能，著郛实 际结累遴簿了比较。 簿一搴，综述露终掇测辍豹发疑过程秘应臻，套绥了鲤努探溅器熬分樊鞫彩 嚷爨餐掇测爨熬搜裁懿器耱瓣豢，对各类不嗣熬数终探测瓣遴括跑较。1 1 1 v 蔟 拳霉傣馥夕 霖溅秣函予穰鹈稳定经好，均匀整容荔按麓，幸考精制备技术较成熟， 博蠢窒懑王佟等特点基引起人们，“泛注意。两r c e 绪褥戆红矫深灏器幽子其有 穰离的嗡应速度，识越柬越受到人们的羹褫。 第二章，详缓讨论了半导体我们研究了传统的p i n 探溺器以及共掇艟增强 燃探测器的特性。分褫了莛叛腔增强红外搽测器嬲终槐。详缨讨沧了共撼强堪强 熬攥测嚣戆鬟予效率，分缀了上菠爨镜载啜嫂对爨馋薰予效率兹影骥。谨缓讨论 了熬叛腔对爨予散率浆影蛹，撂到共振黢戆q 馕戆大，共撂黪对嚣 孛的量予效 率静提寒毽越大戆结果。湾谂了彩蛹共振菠灌强麓探懑嚣静袋窕鳃死个瓣素，为 没诗窭凌髓瞧好鹣r c e 搽落器撼 挂疆谂难餐。 第三章，用线鬣矮缓法诗算了g a l n a s s b 牵芎睾幸静缀分与蒂豫之阀静关系，褥 剩与g a s b 衬瘾嚣酝工 窜在2 a p mg a l n a s s b 翁辩缀分。论诞了i n a s g a s bq w s 作为工依在2 4 “m 的g a l n a s s br c e 探测嚣中d b r 的可行健，并用t m m 法计 算爨i n a s g a s bq w s 靛反射率及襁穆。设诗出g a l n a s s br c e 擐溅嚣跳缝麴， 对器l 譬的性能进行了数值摸羧，分橱了i n a s g a s bq w s 的发射肇及提穆对嚣事 ： _ ，妻趣豹影桶。 第因攀，分缨了剿螽g a l n a s s b 挂拳喜方法之一，舔m o c v d 方法，并详镪奔 o 李掣：坝l 学位论文第一章：红 搽测措的发燧 绍了我们自已组装的一台l p m o c v d 设备的主要缩构及特点。用计算机模拟f l 方法得到p i n 型g a i n a s s b 红鲆探测器在5 0 0 k 黑体辐射源的照射下的光谱响应， 并与实际的用m o c v d 法制器的探测器的光谱响应进行了比较。 第五章对本文送行了总结。 参考文献： 【 】l cw e s ta n ds j ，e g l a s h 。f i r s to b s e r v a t i o no f a n e x t r e m e l yl a r g e - d i p o l ei n f r a r e d t r a n s i t i o nw i t h i nt h ec o n d u c t i o nb a n do fag a a s q u a n t u mw e l l ，a p p lp h y s l e t t ， 1 9 8 5 ，4 6 ，1 1 5 6 2 】b 。el e v i n e ，r 。j m a l i k ，j w a l k e r , k 。k c h o i ，c gb e t h e a ，d ，a + k l e i n m a n ，a n d j m v a n d e n b e r g s t r o n g 8 2 p m i n f r a r e di n t e r s u b b a n d a b s o r p t i o n i n d o p e d g a a s a i a sq u a n t u mw e l l w a v e g u i d e s 。a p p lp h y s l e t t ，1 9 8 7 ，5 0 ，2 7 3 3 】b el e v i n e ，c g b e t h e a ，gh a s n a i n ，j w a l k e r , a n dr j m a l i k h i g h d e t e e t i v i t y d 4 = 1 0 x 1 0 。c m , h 2 wg a a s a 1 g a a sm u l t i q u a n t u mw e l l 丸= 8 3u mi n f r a r e d d e t e c t o r a p p lp h y s l e t t , 19 8 8 ，5 3 ，2 9 6 2 9 8 ， 4 】k wh o d a p p n e a r + i n f r a r e dd e t e c t o ra r r a y sc u r r e n ts t a t eo ft h ea r t 卵暇2 0 0 0 4 0 0 8 ： 2 2 8 - 1 2 3 6 5 】d l o n g ，j l s c h m i t s e m i c o n d u c t o r s a n ds e m i m e t a l s ，5 ，e d i t e d b y r + k 。w i l l a r d s o na n d a c b e e r ( a c a d e m i cp r e s s ，n e wy o r k ) ，1 7 5 ( 1 9 7 0 ) 6 1 z n o w a k ，j p i o t r o w s k i a n djr u t k o w s k i g r o w t ho f h g z n t eb y c a s t r e c r y s t a l l i z a t i o n ，j o u r n a l o f c r y s t a l g r o w t h , 1 9 8 8 ，v 0 1 8 9 ，( 2 3 ) ，2 3 7 2 4 i 7 】m ，r i t z ea n dr e n d e r l e i n b a n ds t r u c t u r ea n dd i s c o n t i n u i t i e so fh g t e c d t e s u p e r l a t t i c e s ：a t h e o r e t i c a ls t u d y , j o u r n a l o f c r y s t a l g r o w t h , 1 9 9 0 ，v 0 1 1 0 l ，( 1 4 ) ， 3 5 9 3 6 3 8 】j n s c h u l m a n o p t i c a l a n de l e c t r o n i c p r o p e r t i e so fh g t e c d t es u p e r l a t t i c e s j o u r n a l o f c r y s t a lg r o w t h , 1 9 9 0 ，v o l 。8 6 ，( 1 - 4 ) ，2 5 2 7 ， 9 】v v t e t y o r k i n ，vb a l e n b e r g ，ef s i z o v , sn d a v i d e n k oa n dv y u ，c h o p i k i n t e r f a c es t a t e si np b s n t e p b t e s h e t e r n d i o d e s ，i n f r a r e d p h y s i c s , 1 9 9 3 ，v 0 1 3 4 ，( 6 ) ， s 8 9 5 9 3 皇兰：坠! ：竺垡鎏墨 茎篓鉴望