谐振增强n型GaAs远红外同质结探测器的性能优化

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本文的主要内容是谐振增强n型GaAs远红外同质结探测器的性能优化的研究。远红外半导体探测器在天体物理的应用上变得越来越重要,因此谐振增强n型GaAs远红外同质结探测器的研究具有重要的意义。本文中首先介绍了红外探测器常用的实验仪器,即傅立叶红外光谱仪以及电流电压源。接着,介绍了研究所需要的理论方法-菲涅耳系数矩阵方法。实验结果得到的反射谱,透射谱与该种方法计算得到的反射谱和透射谱符合得非常好,证明了理论方法的可行性。其次是对同质结探测器作了基本的介绍。我们发现同质结远红外探测器的总量子效率普遍偏低,离实际应用的要求还有一定的差距。因此,如何进一步提高的同质结远红外探测器的总量子效率亟待解决。针对于n型GaAs远红外同质结探测器,我们讨论了提高探测器的量子效率方法:(1)优化探测器的主体结构。(2)添加合适的底部反射镜。经过主体结构优化后,探测器的最大量子效率达到了4.9%,大约是优化之前探测器量子效率的三倍。接着讨论和比较两种底部反射镜结构:GaAs底部反射镜和金层底部反射镜。GaAs底部反射镜结构主要是由底部电极层以及下面的一个周期的非掺杂和掺杂的GaAs层组成的。优化底部反射镜之后,得到最大的量子效率是13.2%,大约是没有反射镜的量子效率(4.9%)的三倍。而金层反射镜结构主要是从上到下由底部电极层,非掺杂的GaAs层,金层组成的。结果表明具有金层底部反射镜的谐振增强n-GaAs同质结探测器最大的量子效率可以达到了18.8%,是原来没有反射镜的探测器量子效率(4.9%)的四倍,并且远大于曾经报道过的p-GaAs或者Si同质结探测器的量子效率。通过研究发现两种底部反射镜结构都能够有效探测器的量子效率,并且经过比较两种底部反射镜结构表明金层底部反射镜的谐振增强n-GaAs同质结探测器是一个更好的选择(不考虑工艺上的难易)。为了进一步提高探测器的量子效率,初步研究了顶部反射镜。对于不同的探测器(具有不同的底部反射镜),分析顶部反射镜对于探测器的量子效率的影响。经过研究发现只有当底部反射镜的反射率足够高,优化顶部反射镜能够有效提高探测器的量子效率。这为下一步的顶部反射镜的设计提供了参考。另外,从GaAs同质结探测器的反射率谱,可以看出大部入射光被反射而没被探测器腔体的吸收层吸收,从而降低了探测器的吸收率以及量子效率。为了减少探测器的反射率,我们初步讨论了金子塔结构的减反膜。该结构的减反膜能够有效减低n-GaAs基底的反射率,因此下一步工作将这种结构的减反膜应用到n-GaAs同质结探测器。以上研究得到了国家自然科学基金(10774100和10304010)和教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队计划(IRT 0524)的资助。
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