GaAs/GaN双色探测薄膜结构设计与光电特性

论文摘要

为实现双色探测的目的,我们在探测薄膜材料结构设计中,提出将GaAs和GaN两种材料外延生长一起构成异质结薄膜,利用GaN带间吸收实现紫外光电探测,同时,利用GaAs自由载流子对红外光信号的吸收受异质结能带（势垒高度）束缚作用实现红外光电探测。为此,本文对GaAs/GaN双色探测薄膜的能带结构和光电性能进行了研究。利用MBE技术制备了GaAs/GaN薄膜材料,并通过X射线衍射方法分析了GaAs/GaN薄膜的结晶质量。利用Keithley 617光电特性测量仪测试了薄膜材料的伏安特性,通过理论计算和实验结果分析揭示了GaAs/GaN薄膜能带结构和载流子的输运机制。利用VERTEX70光电流谱测量仪测试了薄膜材料的光电响应特性,通过理论计算和实验结果分析阐明了不同光谱区域光电响应机制。伏安特性研究表明,p-n型和n-n型GaAs/GaN薄膜伏安特性曲线均表现出良好的整流特性。实验测得的I-V曲线与模拟曲线相近,说明薄膜能带结构符合设计。由薄膜伏安特性分析得出了两种类型GaAs/GaN薄膜能带结构。通过对伏安特性曲线的拟合得出薄膜载流子的输运机制。p-n型GaAs/GaN薄膜0.2V以下为扩散和热电子发射复合机制,0.2-2.8V为热电子发射隧道复合机制。2.8V以上隧穿机制起主要作用。n-n型GaAs/GaN薄膜0.3V以下时为热电子发射和扩散复合机制,0.3V-3V为热电子发射和隧穿复合机制。3V以上隧穿机制起主要作用。光电响应特性研究表明,两种类型GaAs/GaN薄膜在紫外区域均有较好的光电响应,且n-n型GaAs/GaN薄膜在紫外区域响应强于p-n型GaAs/GaN薄膜。在红外区域,p-n型GaAs/GaN薄膜在正向偏压下有较好光电响应。随着正向电压增大探测截止波长向短波方向移动。n-n型GaAs/GaN薄膜在负向偏压下有较好光电响应,随着负向电压增大探测截止波长向长波方向移动。这与设计的红外区域利用GaAs自由载流子对红外光信号的吸收受异质结能带（势垒高度）束缚作用实现红外光信号的光电探测响应机制相符合。另外,p-n型GaAs/GaN薄膜加正向偏压时GaAs中自由载流子越过势垒形成响应的同时,GaN中的电子也会在电压作用下通过隧穿效应引起隧道电流形成噪声。n-n型GaAs/GaN薄膜在负向偏压下只有GaAs中自由载流子越过势垒形成响应,而GaN中电子被束缚住,其光电流谱中背景电流（噪声）明显低于p-n型GaAs/GaN薄膜。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 GaAs 基红外探测器发展状况
• 1.3 GaN 基紫外探测器发展状况
• 1.4 多波段探测器
• 1.4.1 红外双波段探测器
• 1.5 紫外/红外双色探测器
• 1.6 GaAs/GaN 双色探测器
• 1.7 GaAs/GaN 薄膜制备
• 1.7.1 MBE 技术
• 1.7.2 分子束外延的原理
• 1.7.3 分子束外延的设备结构
• 1.7.4 分子束外延的主要特征
• 1.8 本文研究目的与主要内容
• 第2章 薄膜和器件制备与性能分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 GaAs/GaN 薄膜的外延生长
• 2.2.1 MBE 设备介绍
• 2.2.2 GaAs 薄膜外延生长工艺
• 2.2.3 GaN 衬底处理
• 2.2.4 GaAs/GaN 薄膜制备的基本参数
• 2.3 GaAs/GaN 薄膜结晶质量表征
• 2.4 器件制备
• 2.4.1 标准器件工艺
• 2.4.2 光刻
• 2.5 探测器性能测试
• 2.6 本章小结
• 第3章 GaAs/GaN 双色探测薄膜结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 GaAs/GaN 双色薄膜结构设计
• 3.2.1 GaAs/GaN 双色探测器工作原理
• 3.2.2 材料体系的选择
• 3.2.3 GaAs/GaN 薄膜能带（势垒高度）的设计
• 3.3 探测薄膜光电响应模拟
• 3.3.1 薄膜电流连续性方程的推导
• 3.3.2 紫外区域光电响应模拟
• 3.3.3 红外区域光电响应模拟
• 3.4 本章小结
• 第4章 器件的伏安特性
• 4.1 引言
• 4.2 器件伏安特性模拟分析
• 4.2.1 n-n 型器件伏安特性理论模拟
• 4.2.2 p-n 型器件伏安特性理论模拟
• 4.3 器件伏安特性实验研究
• 4.3.1 n-n 型器件伏安特性试验结果与分析
• 4.3.2 p-n 型器件伏安特性实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 器件光电响应特性
• 5.1 引言
• 5.2 光电导的测试
• 5.3 器件的光电响应特性
• 5.3.1 短波区域器件的响应特性
• 5.3.2 中远红外区域器件的响应特性
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢