紫外通信中探测器的研究37_移动文库
&&紫外通信中探测器的研究
紫外通信中探测器的研究
第 37卷,增刊 红外与激光工程 2008年 9月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008
作者简介:陈君洪(1983-) ,男,四川大竹人,硕士生,主要从事紫外通信探测接收技术方面的研究。 Email:
导师简介:杨小丽 (1963-),女,四川成都人, 副教授,主要从事强激光非线性传输、光电对抗和激光技术领域的研究。
紫外通信中探测器的研究
陈君洪,杨小丽
(电子科技大学 物理电子学院,四川 成都 610054)
摘要:紫外光由于具有日盲特点而使其在通信方面有着特殊的的必要性及优越性 , 紫外光的探 测是紫外光通信和其他常用通信方式的主要区别点。介绍了几类现有的应用于日盲紫外光通信系统 的日盲紫外探测器,并对其光谱响应,量子效率等特点进行了分析,得出了各类紫外探测器的适用 条件,为器件的选取提供一定的参考并进一步探讨了紫外探测器的发展趋势。
关键词:紫外探测器;光谱响应;量子效率; AlGaN 紫外探测器
中图分类号:TN23 文献标识码:A 文章编号:08)增(激光探测) -0086-03
Research of detectors in UV communication
CHEN Jun-hong, YANG Xiao-li
(School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)
Abstract: The ultraviolet communication system has special necessity and superiority because of the solar-blind characteristics of ultraviolet. The ultraviolet detection is the main difference between the ultraviolet communication system and to her communication systems. Several types solar-blind UV detectors which are now using in solar-blind UV communication are introduced, and their spectrum response and quantum efficiency are analyzed. Their working conditions are gained. How to choose the appropriate equipments is concluded and the future trend is predicted.
Key words: U S Q AlGaN ultraviolet
太阳辐射的紫外线被大气吸收的谱区称为“日 盲”区 (200~280 nm)。由于紫外线的日盲特性和在大 气层中良好的散射传播特性, 可飞越人造和自然障碍 物而实现非视线 (NLOS)通信,具有低窃听率,高抗 干扰性和全天候工作等优点 [1], 是一种具有很大发展 潜力的新型通信方式。 作为一种新兴的通信手段, 紫 外通信技术具有其独特的特点和要求, 其中紫外光的 接收更是系统的难点, 因此研制紫外探测器在军事高 科技和民品市场领域运用的紫外通信方面具有很高 的价值。
紫外探测器将接收到的紫外光场转换成所要求 的电流或电压波形,是实现紫外通信系统的关键器 件。 对于日盲紫外通信而言, 理想的探测器应该有较 大的探测面积, 较高的增益和透射率, 极低的暗电流 密度和“日盲”功能。 “日盲”功能要求探测器对在 200~280 nm范围外的光谱不敏感。目前 , 应用于紫外 光通信系统中的紫外日盲区探测器主要有光电倍增 管,雪崩光电二极管和半导体探测器。
1 光电倍增管
光电倍增管 (PMT)是一种光电子发射型检测器,
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All Rights Reserved本类论文推荐优秀研究生学位论文题录展示氮化镓基p-i-n结构紫外探测器研究与应用专　业: 微电子学与固体电子学关键词: 宽带隙半导体材料 氮化镓基 紫外探测器 p-i-n结构 欧姆接触 光学滤波器分类号: TN23　
TN304.23形　态: 共 138 页　约 90,390 个字　约 4.324 M内容阅　读: 内容摘要在电磁辐射波谱中紫外线辐射的波长范围为10～400nm。紫外辐射具有与可见光和红外辐射完全不同的特性，紫外辐射的应用正在成为人们继红外辐射之后的又一个研究热点。在紫外天文学、火灾探测、紫外线通讯、紫外线制导、紫外线告警等民用和军用领域，紫外辐射的应用已经显露出诱人的前景。紫外探测器是所有的紫外线应用都必需的重要器件，分为电真空紫外探测器和半导体固态紫外探测器两类，其中由半导体材料制成的固态紫外探测器具有低功耗、不需光学滤波器等诸多优点。目前常用的半导体固态紫外探测由硅材料制成，常温下硅材料的禁带宽度只有1.12eV，将其应用于探测紫外辐射需要光学滤波器，这会带来诸多负面影响。近年来人们探索将宽带隙半导体材料应用于紫外辐射的探测，主要是Ⅲ族氮化物，包括AlN、GaN、InN及其三元合金。纤锌矿结构的AlN、GaN、InN都为直接带隙半导体，其禁带宽度分别为6.2eV、3.4eV和1.9eV，他们的三元固溶体合金体系对应的波长覆盖了从红外到远紫外光的范围。目前，Ⅲ族氮化物的在半导体器件方面的应用，还存在材料生长、掺杂、欧姆接触等方面问题，有待研究解决。本文就GaN基材料应用于制备p-i-n结构紫外探测器进行了研究，主要工作如下:1、通过对p-i-n结构光电探测器工作原理的理论分析，结合GaN材料特性，综合p-i-n光电探测器各性能指标间的相互制约关系，提出了优化设计GaN基p-i-n结构紫外探测器的方法。2、对用RMBE生长的GaN外延材料进行了显微结构分析、PL谱测量、霍尔测量，保证了本论文所采用的RMBE生长的GaN外延材料可以用于光电探测器件的制备。在对其中一块材料的PL谱测量时观测到了标志Ga空位的黄光峰，并避免了这块材料用于制备探测器。3、对n-GaN的欧姆接触及其温度稳定性进行了研究。优化了具有最低欧姆接触电阻率的Ti/Al/Ni/Au30nm/150 nm/50 nm/50nm金属化系统，其室温下的电阻率为30.6×10Ω cm提出了温度稳定性较好的Cr/Au/Ni/Au20nto/40hm/60hm/50hm金属化系统，在室温下电阻率为2.63×10Ωcm，300℃时的电阻率为6.5×10Ωcm。其优化的退火条件均为N环境中，850℃，30秒。5、设计并制备了两种纵向结构，两种横向结构共四种p-i-n型紫外光探测器，对其中两种大入光面积的样品进行了不同温度下的I-V特性测量与分析。对其中以GeuN材料作i层的紫外探测器，计算得到室温下理想因子为2.09，随温度升高，理想因子先大后小，在300℃时理想因子为1.28，在100℃时有最大值2.135；当样品通过1mA电流时其正向压降的温度系数：0～300℃为-1.97mV/℃，-223℃～-23℃为-1.76mV/℃。6、提出双注入模型适用于研究以GaN这样的宽禁带材料作i层的p-i-n结构的电流电压关系，并根据双注入模型计算得到i区的深能级激活能为0.1343eV。7、通过测量不同温度下的C-V特性，发现在高温段，结电容随温度升高而增大；首次发现低温段结电容与温度关系的新现象，并作出了适当解释。通过C-V关系数据计算得到50℃时内建电势差为2.72V。8、对研制的以GaN材料作i层的紫外探测器进行的光电特性测量表明，反偏电压5V时，在367nm处获得峰值响应度为0.115A/W，量子效率为38.996，归一化探测度为2.14×10cmHzW，室温下暗电流在反偏电压10V、3V、1V时分别为0.28nA、6.68pA、3.13pA，均处于国内先进水平。9、对研制的以AlGa材料作i层的紫外探测器进行的光电特性测量表明，反偏电压5V时，在276nm处获得峰值响应度为0.076A/W，量子效率为34%。以276nm为中心向两边各25nm，响应度均迅速减小两个数量级。将p-i-n结构紫外探测器的峰值响应波长降至280nm以下，实现了GaN基p-i-n结构日盲型紫外探测器。10、应用本论文制备的紫外探测器设计制作了紫外光功率计，用于检测紫外光刻机光场均匀性，获得满意的实用效果，证明本论文研制的GaN基p-i-n紫外探测器具有实用价值。紫外辐射的研究与应用一定会像红外辐射的广泛应用一样，在国防与国民经济各个领域发挥重要作用。紫外辐射与探测方面的深入研究将使我们在这一领域处于国际先进水平..……全文目录文摘英文文摘第1章 绪论1.1 GaN材料研究进展1.2 GaN材料的应用1.3 GaN基紫外光探测器研究概况1.3.1 GaN基紫外光探测器研究历史1.3.2光电导探测器1.3.3肖特基金属-半导体-金属型MSM探测器1.3.4肖特基势垒型光电二极管1.3.5 P-I-N型光电二极管1.3.6雪崩光电二极管1.3.7焦平面阵列1.5本章小结第2章 GaN基p-i-n结构紫外探测器2.1 p-i-n型光电探测器原理2.2光电探测器性能表征2.2.1量子效率2.2.2响应度2.2.3光谱响应2.2.4响应时间和频率响应2.2.5噪声等效功率2.2.6探测度及归一化探测度2.2.7暗电流2.3 p-i-n型紫外探测器的优化设计2.4本章小结第3章 GaN薄膜生长及特性测量3.1 GaN基材料的基本性质3.1.1 GaN基材料的晶体结构3.1.2 GaN基材料的光学特性3.1.3 GaN基材料的杂质及其掺杂3.2异质外延的衬底选择3.2.1蓝宝石衬底3.2.2碳化硅SiC衬底3.2.3氮化铝AlN衬底3.2.4其它材料3.3外延材料生长方法3.3.1卤化物汽相外延HVPE方法3.3.2金属有机物气相外延MOCVD方法3.3.3分子束外延MBE方法3.3.4缓冲层外延生长技术3.3.5横向外延生长技术3.4 GaN材料特性表征3.4.1结构特性表征3.4.2光学特性表征3.4.3电学特性表征3.5实验结果与分析3.6本章小结第4章 GaN基紫外探测器关键单项工艺4.1 GaN材料刻蚀方法4.2 GaN的欧姆接触4.2.1欧姆接触理论4.2.2欧姆接触的测量与表征4.2.3 n-GaN欧姆接触4.2.4 p-GaN欧姆接触4.3本章小结第5章 GaN基p-i-n结构紫外探测器制备5.1材料生长5.2版图设计5.3器件制备工艺5.4电学特性分析5.4.1室温I-V特性5.4.2归一化探测度计算5.4.3 I-V曲线高温段温度特性5.4.4 I-V曲线低温段温度特性5.4.5 C-V曲线高温段温度特性5.4.6 C-V曲线低温段温度特性5.5光电特性分析5.5.1光谱响应特性5.5.2光电响应频率估算5.6本章小结第6章 GaN基p-i-n紫外探测器应用6.1 p-i-n型紫外探测器偏置条件6.2 pA级电流测量电路设计6.3显示模块设计6.4本章小结结论参考文献相似论文,165页,TN23
TN304.24,58页,TN23,63页,TN23,37页,TN304.23,148页,TN304.23,59页,TN304.23,60页,TN304.23
TN305.7,55页,TN304.23
TN433,72页,TN304.23 TN248.4,43页,TN248.4,128页,TN248.1,81页,TN248.4 TP273,38页,TN248.4 TN929.1,63页,TN256,137页,TN252 TN929.11,55页,TN215
TN304.055,80页,TN248,57页,TN248,59页,TN248,62页,TN248.4 TN365中图分类:
> TN23 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 紫外技术及仪器其他分类:
> TN304.23 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料
& 2012 book.hzu.edu.cnGaN基量子阱红外探测器的设计
11:29:24来源: 互联网 关键字：&&&&
&& 摘要：为了实现GaN基量子阱，利用自洽的薛定谔-泊松方法对GaN基多量子阱结构的能带结构进行了研究。考虑了GaN基材料中的自发极化和压电极化效应，通过适当的量子阱结构，利用自发极化和压电极化的互补作用，设计出了极化匹配的GaN基量子阱红外探测器，为下一步实现GaN基量子阱红外探测器做好了准备。关键词：GaN；量子阱；红外探测器；极化匹配0 引言&&& 红外探测技术在军用和民用上都具有重要的意义，在军事方面的应用主要包括了目标获取、监视、夜视、制导等方面，在民用上主要包括了热效率分析、远程温度感应、短距离无线通信、光谱学、天气预报、天文学、森林防火、安防、医疗等方面。&&& 1962年Kruse和Rodat改进了HgCdTe红外探测器，使其开始应用于单元探测器和线性阵列。HgCdTe红外探测器是利用窄禁带半导体的带间吸收进行红外。光探测的。由于该类材料中外延生长条件，即窗口比较窄，材料的均匀性不是很好，抗辐照能力差，因而使应用受到了一定的限制。另外一类红外探测器是利用子带吸收的量子阱红外探测器，通过能带工程的方法，利用量子阱的子带跃迁来吸收红外光。这种方法不受材料本身禁带宽度的限制，为红外光的探测提供了新的思路。1988年贝尔实验室Levine小组首先报道了GaAs／AlGaAs量子阱红外探测器，与HgCdTe探测器相比，量子阱红外探测器的优点是材料的均匀性好，器件制作工艺成熟，抗辐照能力强。对于大规模的焦平面阵列探测器，这些优点表现得更为明显。1 GaN基材料及器件&&& GaN基半导体具有宽禁带、直接带隙、高电子饱和速度、高击穿电压、小介电常数等优点。优越的物理化学稳定性，使其可以在苛刻的条件下工作，适合制备多种器件。其中，四元混晶InAlGaN的带隙，随着各组成组分的调整可在0．7～6．2 eV范围连续变化。&&& 不同于其他的III-V族化合物半导体材料，如六角立方结构的氮化物半导体材料中在没有外电场存在的情况下存在着很强的内建极化场。GaN基半导体材料总的宏观极化场是平衡结构的自发极化场与由于应力引起的压电极化场之和。其中，压电极化来源于材料中由于晶格失配而导致的应力，自发极化则来源于晶格中阳离子和阴离子的非对称性。由于极化电场的存在，材料中形成了电荷的积累，使得半导体材料的能带产生了弯曲，产生了锯齿状的能带结构。&&& 目前，常用的GaN基器件主要包括了蓝、绿光发光二极管(LED)器件和GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)器件。在蓝、绿光LED器件中，通常利用GaN／InGaN／GaN多量子阱结构作为有源发光层，而在GaN基HEMT器件中利用AlGaN／GaN异质结来形成导电沟道。极化效应在不同的器件中起到了不同的作用，在蓝、绿光LED器件中，锯齿状的能带弯曲抑制了载流子的输运，降低了器件的效率；在GaN基HEMT器件中，可以利用AlGaN／GaN异质结极化场所产生的极化电荷作为导电沟道中的载流子，从而提高了器件的性能。2 GaN基量子阱红外探测器设计&&& 与以GaAs／AlGaAs为代表的传统量子阱红外探测器相比，GaN基量子阱红外探测器具有如下优点：&&& (1)更简单的系统结构。由于GaN系材料本身是宽禁带材料，对可见光无响应，不需要滤波装置。&&& (2)高稳定性和宽适用范围。由于GaN系材料的物理、化学性质稳定，暗电流低，抗辐射性能强，适用恶劣环境。&&& (3)更快的响应速度。由于激子和声子的相互作用，GaN系极性半导体中的光学过程很大程度上受到LO声子的影响，因此子带电子的弛豫过程非常快(寿命大概是140～400μs)，可以用于Tb／s的数据通信。
& 贝尔实验室在2000年第一个实现了GaN／AlGaN量子阱中的子带间跃迁，使GaN基材料在红外量子阱探测器的研究引起人们的关注，并成为目前红外探测器研究的一个新热点。当今国际上知名的几个研究机构，例如贝尔实验室、东芝公司等，都投入了大量的人力物力来研究这个材料体系中的红外光吸收特性。本文主要研究了如何利用GaN基材料中自发计划和压电极化的互补作用，以此形成极化匹配的量子阱红外探测器结构，避免了极化现象对器件性能的不利影响，提高了器件的效率。&&& 图1给出了生长在GaN基板上的三元混晶AlGaN和InGaN随着成分变化而导致的自发极化和压电极化电荷密度变化情况。从图1中可以看出，对于InGaN材料来说，压电极化电荷和自发极化电荷的符号是相反的。另外，相比于InGaN材料的压电极化电荷密度，AlGaN材料的压电极化电荷密度和自发极化电荷密度都小很多。因此，如果选取适当的InAlGaN四元混晶材料，就可以设计出极化匹配的GaN基量子阱红外探测器。
&&& 在此，使用了自洽的薛定谔-泊松方法进行量子阱能带结构的理论模拟。理论模拟中所使用的氮化物半导体GaN，InN和AlN的材料参数来源于文献。除了带隙参数外，四元混晶InAlGaN的材料参数使用下面的插值公式，由GaN，InN和AlN的材料参数得到：&&& &&& InAlGaN材料的带隙参数由文献中介绍的方法得到。&&& 首先对In0.1Ga0.9N／In0.226Al0.25Ga0.524N多量子阱结构进行了理论模拟，发现该结构的极化电荷不能抵消，其能带结构的研究结果如图2所示。从图中可以看出，在该材料体系中，由于极化电荷的存在，导致了多量子阱能带结构的改变，形成了锯齿形的能带结构。在这种情况下，由于导带量子阱对电子限制作用的削弱，对于设计基于电子子带间吸收的量子阱红外探测器来说变得更加困难。
&&& 通过逐步调节量子阱势垒的组分，最终发现In0.1Ga0.9N／In0.2Al0.3Ga0.5N多量子阱结构中的极化电荷基本可以抵消，也就是说，做到了极化匹配。极化匹配的GaN基多量子阱结构的能带结构如图3所示。
&&& 从图中可以看出，在极化匹配的情况下，GaN基量子阱结构与传统的GaAs基或InP基量子阱类似，在没有外加电场时，都是矩形势阱结构。在这样的能带结构下，通过改变势阱的厚度，可以设计不同探测波长的量子阱红外探测器。另外，通过改变势垒和势阱的成分，并在这个过程中保持极化匹配，将来还可以设计出不同深度的量子阱结构，实现不同探测波段的量子阱红外探测器。3 结语&&& 利用自发极化和压电极化的相互抵消作用，通过对GaN基多量子阱结构的能带结构进行研究，找到了可以极化匹配的GaN基多量子阱结构，完成了GaN基量子阱红外探测器的设计，为下一步实现GaN基量子阱红外探测器做好了准备。
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