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《山东大学》 2005年
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量子阱红外探测器及红外材料光电性能的研究

张瑞锋  
【摘要】:GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器(QWIF)的研制,是目前红外材料和器件研究方面的一个热点。量子阱红外探测器的发展历程,实际上就是,通过不断改进量子阱材料阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数,从而改变材料的能带结构,以满足探测需要的过程。 本论文主要对GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器的光电性质进行了理论模拟和实验研究,同时还研究了GaAs/AlGaAs量子阱材料的光学性质和新型红外晶体铌酸钙钡单晶的光学性质。主要内容如下: (1)采用K—P模型和量子干涉模型研究了量子阱材料结构参数和器件性能的关系。结果表明随着势垒宽度的增加,材料结构从超晶格逐渐过渡到量子阱;探测器的峰值波长随阱宽和势垒中铝组分的增加而减小。 (2)采用椭圆偏振光谱法对掺铬的半绝缘GaAs衬底和GaAs/AlGaAs量子阱材料的光学性质进行了研究。通过选取不同的模型,计算获得了两种材料的光学参数如折射率,消光系数和介电函数等随入射光子能量的变化关系曲线。从衬底的曲线中,观察到掺铬后GaAs的光学参数与本征GaAs相比没有太大变化,只是折射率和介电常数有所下降。从量子阱材料曲线中,观察到反映量子限制效应的带间跃迁,即对应电子从重空穴态到电子态的跃迁。此外与体材料相比,量子阱材料的折射率和消光系数减小了。 (3)根据量子阱红外探测器探测波长的要求,选择了符合要求的材料的结构参数如AlGaAs/GaAs量子阱的阱宽,垒宽、铝的组分以及阱层的掺杂浓度等并利用分子束外延技术生长了符合设计要求的材料。测量了GaAs/AlGaAs量子阱材料的红外吸收光谱和光电流谱,比较了理论计算和实验测量的器件的峰值响应波长,分析了器件暗电流的形成原因,模拟了器件的暗电流特性,为材料结构的优化设计,改善器件性能奠定了基础。 (4)我们将GaAs/AlGaAs量子阱红外探测器与目前用的最多的HgCdTe红外探测器的性能进行了比较,分析了两种不同类型探测器的工作原理,限制性因素,给出了两种探测器在制作大面积红外焦平面器件方面的长处和不足。 (5)对室温下铌酸钙钡单晶的光学性质进行了研究。分别用分光光度计和椭
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