基于In、As、Ga、Sb的新型红外探测材料及器件的光谱研究

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本文利用傅里叶红外光谱仪等手段对InAsSb以及InNSb薄膜的远红外反射光谱以及光电流响应光谱等进行了研究,同时还利用波长可调谐的皮秒脉冲激光对具有p-b-i-n结构的InAs/GaSb二类超晶格红外光伏探测器的脉冲响应时间衰退谱进行了研究,取得了一些成果,主要包括以下几个方面:(1)应用傅里叶红外光谱仪的测试方法,观察到InAsSb薄膜材料的反射光谱出现两组对应的特征峰结构,使用双声子的赝谐振子模型拟合,获得了材料声子模式随As组分的变化而发生变化的现象,并用等位移模型解释了这一变化规律。通过对基于晶格失配的GaAs衬底的InAsSb薄膜材料的远红外反射光谱进行测试发现,远红外反射光谱反映出典型的双声子振动模式,运用Drude-Lorentz模型获得了较好的拟合结果。结果显示,声子频率与理论计算中无应力存在时的频率相比出现一定的偏移现象。通过分析偏移的规律性,推断出这是由所选衬底与外延薄膜之间晶格失配较大,外延薄膜内存在明显的应力所造成。此外,通过拟合有关等离激元的相关参数,获得了材料内部的载流子浓度以及迁移率等信息,与理论计算结果相符合。而材料内部载流子的迁移率随着As组分的增加而减小,则反映了材料内部晶格质量随着As组分的增加而变差。(2)应用黑体响应测试方法以及傅里叶红外光谱仪对InAsSb薄膜制备成的器件进行了变温变尺寸的响应测试,获得了在40K温度下响应峰值为4微米、响应半峰宽为4微米、截止波长约为7.3微米的中波宽带响应红外探测器。通过标准黑体响应的测试获得器件的响应率以及探测率等信息,同时通过改变器件的面积结构尺寸测试发现,在所测的器件中,偏置电压一定的情况下,随着器件面积的增大,器件的响应率出现减小的现象,认为是外量子效率的增益因子减小导致。通过傅里叶光谱仪对器件的响应光电流谱进行测试,获得了器件的响应波长。发现器件的截止波长与理论计算中As组分为7%情况下禁带宽度的能量所对应的波长相比有明显的红移现象。认为是由于制备InAsSb器件的薄膜材料本身的外延层较薄,且外延层与GaAs衬底之间存在较大的晶格失配,导致材料内部在生长中存在CuPt型的有序化结构,从而使得禁带宽度比体材料状态下有所变窄,导致吸收截止波长出现红移的现象。(3)通过远红外反射光谱、黑体响应测试以及红外响应光电流谱对退火前后的InNSb薄膜材料及器件进行了变温分析测试。获得了在80K温度下,响应峰值约为4.4微米、半高宽约为3.5微米、截止波长约为5.7微米的中波宽带响应红外探测原型器件。在InNSb薄膜材料的研究中,通过远红外反射光谱的实验发现由于N组分的存在,导致材料中InSb的TO声子模相对于无N组分时受到更大的阻尼,归结为N组分的引入破坏了原本InSb材料的长程有序结构。同时发现通过等离激元获得的载流子浓度比InSb要高很多,而迁移率却相对较低,由此推断出材料中因N组分的引入,存在较多的缺陷,从而引起大量的浅能级使得载流子浓度非常高,导致迁移率相对较低。通过响应光电流谱测得的器件的吸收截止波长与理论计算的禁带宽度所对应的波长相比出现明显的蓝移,这是因为材料内部较高的载流子浓度造成的Moss-Burstein效应。此外实验还证明通过退火的工艺,可以提高晶体的质量,有效降低载流子的浓度,从而抑制Moss-Burstein效应,使得吸收截止波长相对于未退火之前有一定的红移。(4)通过时间分辨瞬态光伏响应特性的方法测试了p-b-i-n型InAs/GaSb二类超晶格光伏探测器少数载流子的表观寿命。并通过测试不同尺寸的台面单元器件,发现少数载流子的表观寿命出现随着器件面积增大而增大的现象。本文使用皮秒激光器光注入载流子的方法,对InAs/GaSb二类超晶格少数载流子寿命进行了研究。通过对不同尺寸的p-b-i-n型光伏器件的少数载流子进行测量,所测得的少数载流子表观寿命约为几到几十纳秒量级,表现出随着器件台面面积增大而增大的趋势。这是因为器件台面侧壁未能做到非常良好的钝化,导致存在表面辅助迁移以及表面复合效应所造成的影响。
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