GaSbInSbInP红外探测器结构的MOCVD生长及红外特性研究.doc

GaSb/InSb/InP红外探测器结构的MOCVD生长及红外特性研究目前,在红外通讯、气体监测、遥感技术等领域,对3-5μm波段的半导体红外探测器均有着迫切的需求。而非制冷红外探测器因无须制冷设备而便于实现器件的集成化与探测系统的轻量化,具有低功耗、低成本、良好的稳定性等优势,因此具有重要的应用前景。InSb作为一种窄禁带半导体材料,在量子效率、响应速度等方面优势明显,因此是制备红外探测器的一种理想材料。但是InSb内的复合机制导致相关器件的输出噪声过高,因而难以满足非制冷红外探测器的发展要求。为了解决InSb红外探测器在室温下高复合噪声的问题,本文提出采用GaSb与InP两种禁带较宽的材料分别作为P层与N层,制备一种GaSb/InSb/InP异质PIN结构。在这种结构中,P层GaSb与N层InP分别传输空穴与电子;非故意掺杂的InSb材料作为I层,负责吸收红外辐射并产生非平衡载流子,从而形成光电流。这种异质PIN结构具有两个明显的优势:首先,由于GaSb与InP两种材料的禁带宽度较大,复合机制的复合率通常远小于InSb材料,使得光生载流子在P层与N层中具有更长的寿命。这不仅能够降低探测器内部由于复合机制而引发的噪声电流,同时能够提升器件的量子效率。同时,GaSb与InP两种材料在与InSb材料形成异质结时,分别在导带一侧与价带一侧引入0.52eV以及0.98eV的带阶,从而形成有效的电子势垒及空穴势垒,能够限制I层InSb材料内载流子的扩散运动,从而可以降低扩散效应引起的噪声电流。此外,在相应的反偏压条件下,I层达到全耗尽条件,在反偏电压的少子抽取作用下,I层内自由载流子的浓度很低,因此俄歇复合率也较低,从而在一定程度上能够降低俄歇复合效应产生的暗电流。对GaSb/InSb/InP红外探测器结构的研究主要分为建模仿真与实验生长两个部分。在器件的建模与仿真过程中采用SilvacoTCAD仿真工具,从载流子连续性方程入手,结合漂移扩散模型,在能带的抛物线近似下对器件的工作特性进行分析,得到器件的简化能带模型与载流子分布情况。同时对器件结构的红外吸收特性与暗电流机制进行深入分析,计算出器件的截止波长为6.8μm,并指出在外延层缺陷浓度较高时限制器件性能的主要因素是肖克莱-瑞德复合机制。在实验生长研究中,采用金属有机化合物气相沉积（MOCVD）技术,通过对比实验的方法对InSb、InP两个外延层生长过程中,生长温度、反应室压强与气相Ⅴ/Ⅲ比三个生长参数对外延层表面形貌与结晶质量的影响进行分析,从而确定最佳的生长条件。根据最佳工艺参数在InP衬底上依次生长InSb、GaSb两个外延层,制备基本的探测器件结构,蒸发制备电极后通过半导体分析仪对其反偏压下的I-V特性进行测试。测试结果表明,器件工作性能的主要限制为肖克莱-瑞德复合机制,器件暗电流为0.26A·cm^-2,品质因子R₀A为0.1Ω·cm²。