论文部分内容阅读
量子点红外探测器(Quantum dots infrared photodetector,QDIP)由于具有垂直入射响应性能且在理论上具有高的探测率和工作温度，有可能取代碲镉汞(MCT)探测器和量子阱红外探测器(QWIP)，因而近十几年来备受关注。本文研究了具有响应波长可调和暗电流较小的优点的非对称量子点—阱结构(Dots-in-a-well，DWELL)的红外探测器，并且在理论上对该结构进行了模拟分析，同时还研究了垂直强耦合量子点(Strongly vertically coupled quantum dots)结构在QDIP方面的潜在应用价值，获得了一些新的结果。其主要工作内容包括：
(1)非对称DWELL结构的红外探测器的实验研究
在分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)设备上生长了InAs/InGaAs/GaAs的非对称DWELL结构，对该结构进行了光致发光谱(PL)测试和红外吸收的研究，然后制作了该结构的红外探测器器件，并在合作单位的帮助下测试了该器件的光电响应和暗电流。光电响应测试结果表明，该结构探测器可以成功地探测6.2μm的中红外光。结合PL谱可以推导出，6.2μm波长的光电响应源于电子从量子点内基态向量子阱内束缚态之间的跃迁。同时，在光电响应中发现了负微分电导现象(Negative differential conductance，NDC)，这是在非对称DWELL结构红外探测器中首次发现此类现象。此外，还在测试中发现了与常见的 Stark效应相反的结果，即响应波长随着偏压的增加出现蓝移。这种现象的出现是由DWELL结构中电子的两步跃迁过程造成的。暗电流测试结果表明，该结构探测器具有较低的暗电流，这是由于量子点的非掺杂以及在量子点两侧引入量子阱导致量子点内束缚态降低，从而减少了电子的热激发。非对称DWELL型红外探测器研究结果表明，该结构对提高QDIP的性能具有很大的作用。
(2)非对称DWELL结构的红外探测器的理论模拟研究
根据本论文的实验数据，建立了非对称DWELL结构的理论模型。然后在有效质量包络函数框架下，计算了非对称DWELL结构中量子点偏离量子阱中心的距离、量子阱的宽度和量子点的半径对非对称DWELL结构内的电子能级以及相应的红外探测器性能的影响。计算结果表明，随着量子点偏离量子阱中心距离的减小，响应波长会加速蓝移，而多色响应的可能性则会增加，同时光电响应强度也会增加；量子点的半径以及量子阱的宽度的增加则会使得QDIP的光电响应发生蓝移，同时多色响应和光电响应强度会增加。所以，非对称DWELL型红外探测器可以通过调整量子点偏离量子阱中心的距离、量子点的半径以及量子阱的宽度来实现响应波长和多色探测的调整。
(3)用于QDIP的垂直强耦合量子点结构的研究
在MBE设备上生长了InAs/GaAs垂直强耦合量子点结构，并对该结构进行了光致发光(PL)、红外吸收、原子力显微镜(AFM)等研究，同时还对该结构进行了快速热退火(RTA)处理及相应的光谱研究。结合PL测试结果和该结构的不同入射条件下的红外吸收测试结果发现在垂直入射条件下，电子的跃迁发生在量子点内的第一激发态和第二激发态与量子阱内的束缚态之间，而在45°角入射条件下，电子的跃迁发生在量子点内的基态和第一激发态与量子阱内的束缚态之间，即量子点内的激发态对于垂直入射红外光更为敏感，这一结果对于QDIP的设计具有指导意义，同时也说明垂直强耦合量子点结构有可能适用于高性能的QDIP。同时，快速热退火测试结果表明，与其它常见的量子点结构相比，垂直强耦合量子点对快速热退火并不敏感，也就是说它的热稳定性比较好，这是由于它在生长过程中下层量子点发生了扁平化，内部应力相应减少，所以热稳定性较好。