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短波红外InGaAs探测器辐照特性研究

黄星  
【摘要】:In Ga As材料很好的覆盖了1~3μm的短波红外大气窗口,独特的光谱特性使得短波红外In Ga As探测器在航天遥感领域有着广泛的应用。空间环境中存在着大量的高能粒子辐照,会引起光电探测器性能的退化甚至器件失效。本论文针对In Ga As探测器的航天遥感应用,对探测器的辐照效应进行了研究,为保障探测器在空间环境中的正常工作提供了参考。研究了微波反射光电导衰退法(μPCD)在材料少子寿命测试中的应用,讨论了提取晶格匹配In0.53Ga0.47As层少子寿命的方法,为表征辐照对材料少子寿命的影响打下基础;比较了ICPCVD和PECVD两种钝化方式延伸波长In0.83Ga0.17As器件的1/f噪声特性,利用g-r噪声的温度特性提取出了缺陷能级,为通过低频噪声来表征辐照效应作了准备;对In0.53Ga0.47As和In0.83Ga0.17As器件进行了γ辐照实验,采用了非原位和原位测试两种方法,研究了辐照对器件性能的影响,分析了辐照前后暗电流机制的变化;研究了In0.83Ga0.17As材料和器件的质子辐照效应,观察了辐照引起材料和器件性能的退化,分析了辐照对低频噪声机制的影响。探索了利用μPCD测试提取In0.53Ga0.47As材料的少子寿命。根据不同结构参数的多种材料的测试结果,分析得出样品的电导及样品距金属平台的距离会对测试信号大小产生显著影响;在半绝缘衬底生长外延材料并尽量使得材料的电导低于40m S,以获得有效测试信号。生长了nin型In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As双异质结外延材料用于测试,获得了有效信号,在假设In0.52Al0.48As层起到了很好的表面钝化作用,通过信号衰减曲线拟合出的有效寿命即为In0.53Ga0.47As材料的少子寿命。在In0.83Ga0.17As探测器的低频噪声研究中,首先对两种不同钝化方式探测器的1/f噪声特性进行了研究,发现与PECVD钝化相比,ICPCVD的主要优势在于显著提高侧表面的质量并极大地抑制1/f噪声;反偏下,PECVD和ICPCVD钝化器件的1/f噪声分别与偏压成指数关系和幂次关系;随着温度的降低,ICPCVD钝化器件的1/f噪声下降的更快,这表明低温下ICPCVD钝化的优势更明显。根据噪声与器件尺寸的关系,推断PECVD钝化探测器的1/f噪声主要来源于侧表面,而ICPCVD钝化探测器的主要来源于体内和上表面。还利用g-r噪声的温度特性,提取出了不同面积的PECVD钝化器件中的缺陷能级:In Ga As层中导带下0.28e V,In Al As层中价带上0.39e V和0.59e V。对In0.53Ga0.47As探测器进行了非原位和原位测试的γ辐照实验。在非原位测试实验中,辐照剂量为100krad和300krad,都引起In0.53Ga0.47As器件暗电流明显增大,增大的主要成分是扩散电流和分路电流;辐照后22h,暗电流减小了约40%,然后保持稳定,至辐照后240h都基本没有变化;根据不同温度下的I-V曲线,推出辐照引起分路电流的增加?Ish∝exp(-0.43e V/k T);器件的响应光谱及通过C-V曲线提取的In Ga As层有效载流子浓度受辐照影响不大。在原位测试实验中,发现在反向偏压下10rad/s的辐照在器件中产生的光电流约为2n A;此外,辐照还会通过引入累积损伤导致暗电流增大,暗电流在辐照停止后的十几分钟内保持不变;当剂量率一定时,器件暗电流随着辐照剂量的增加而增大,但增大的速度趋于变缓。当总剂量一定时,器件接受的辐照剂量率越大,其暗电流的增加越多。采用480krad的γ射线对In0.83Ga0.17As探测器进行了辐照,通过非原位测试发现辐照对器件的暗电流和响应光谱都基本没有影响。研究了In0.83Ga0.17As探测器和材料的质子辐照效应,质子能量为2Me V,辐照通量为2×1013cm-2、1×1014cm-2、5×1014cm-2和1×1015cm-2。辐照后器件的暗电流、低频噪声、探测率和量子效率以及材料In Al As层和In Ga As层的PL谱峰值强度都发生了明显退化,但退化程度并不单调的随通量的增加而加重,推断这是由于辐照过程中不仅仅有位移效应引起缺陷浓度增加,还有“辐照引入的排序效应”导致缺陷浓度减小。辐照结束后,器件的暗电流和低频噪声都有小幅的恢复。辐照前后器件的暗电流密度都与P/A比的关系不大,表明辐照在器件中主要引起了体损伤;随着温度的降低,辐照后暗电流的下降要比辐照前慢很多,使得低温下辐照引起暗电流的退化要更显著。噪声机制分析表明辐照导致器件的白噪声、1/f噪声和g-r噪声都增加。PL谱测试中观察到材料In Ga As层中的辐照损伤比In Al As层更为严重,推断由此导致了随着波长增加到In Al As的吸收限附近,器件量子效率的退化程度逐渐加重,之后退化程度基本不变。


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