畢業(yè)論文-量子阱光譜探測器的設(shè)計與仿真

大連東軟信息學(xué)院[鍵入文字]目錄撒旦大連東軟信息學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）論文題目論文題目：量子阱光譜探測器的設(shè)計與仿真系所：電子工程系專業(yè)：電子信息工程（微電子制造方向）學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號：指導(dǎo)教師：導(dǎo)師職稱：講師完成日期：2014年5月15日大連東軟信息學(xué)院DalianNeusoftUniversityofInformation大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要-56-目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 -1-1.1量子阱紅外探測器發(fā)展 -1-1.2當(dāng)今紅外探測器相關(guān)技術(shù) -1-1.3量子阱探測器的分類與應(yīng)用 -2-第二章量子阱探測器的原理 -4-2.1量子阱紅外探測器基本原理的簡介 -4-2.2QWIP的集中躍遷模式 -5-第三章GaAs/AlGaAs量子阱探測器基本參數(shù) -8-3.1量子阱結(jié)構(gòu)的選擇 -8-3.2QWIP的材料選擇 -8-3.3入射光的耦合 -10-3.4QWIP的性能參數(shù) -13-3.5量子阱周期數(shù)對器件性能的影響 -13-第四章GaAs/AlGaAs探測器的設(shè)計 -16-4.1量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)選取和能帶結(jié)構(gòu)選取 -16-4.2模擬silvaco模擬環(huán)境簡介 -16-4.3使用ATLAS建立模型 -17-4.4電學(xué)特性模擬 -20-第五章雙波段量子阱探測器模擬 -24-5.1器件簡介 -24-5.2器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作 -24-5.3使用ATHENA模擬仿真器件 -25-5.4小結(jié) -33-第六章總結(jié)不足與展望 -34-參考文獻(xiàn) -35-致謝 -37-附錄 -38-大連東軟信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章緒論半導(dǎo)體量子阱（QW）、超晶格（SL）等材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究的前沿，就像是實驗室中的建筑學(xué)，就是以原子為最小的磚塊的微觀建筑科學(xué)。它所產(chǎn)生的人工晶體，其性質(zhì)可以被人為的改變來控制，它是一個具有巨大發(fā)展前景和優(yōu)越性的晶體材料。其中它的一個極有前途、極為重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是量子阱紅外探測器，也就是通常所說的第三代紅外焦平面量子阱探測器。量子阱材料主要可以測光譜中的紅外光，也是發(fā)展新型紅外探測器的先導(dǎo)。紅外焦平面探測器早期實用的是Pbs，現(xiàn)在的重點是碲鎘汞，Si：Pt及半導(dǎo)體量子阱焦平面探測器。其中半導(dǎo)體量子阱焦平面探測器，在五年內(nèi)走完了碲鎘汞探測器(MCT)30年的歷程，現(xiàn)在雖然在探測度指標(biāo)上還不如MCT，但經(jīng)過進(jìn)一步的攀登，這種完全靠科學(xué)家、計算機的，由MBE或MOCVD技術(shù)制造的新一代焦平面器件可能成為現(xiàn)代科技的領(lǐng)跑者。無疑，今后哪個國家能搶占這個高地，這將在各國科技力量的對比方面產(chǎn)生重要的影響。1.1量子阱紅外探測器發(fā)展1970年，超晶格量子阱概念被提出后，這是一種完全由人工制備的新材料，它具有許多天然材料所沒有的性質(zhì)，之后開辟了大量的新的研究領(lǐng)域。1977年，發(fā)現(xiàn)了量子阱具有基于子帶間躍遷能量在紅外范圍可協(xié)調(diào)的特點，這種特點可以被用于制作紅外探測器。1985年，使用GaAs/AlGaAs量子阱吸收長波紅外光驗證之后，量子阱材料在紅外探測器上的應(yīng)用潛力逐漸被開發(fā)出來。相對于采用碲鎘汞材料的傳統(tǒng)紅外探測器，GaAs體系的量子阱材料具有強的化學(xué)鍵、好的穩(wěn)定性和更容易實現(xiàn)的器件工藝，好的均勻性，適合制備大面陣焦平面，可以調(diào)節(jié)吸收帶的寬窄來調(diào)節(jié)吸收的光的波段，制作多色器件，制備工藝成本低，適合大量生產(chǎn)等等優(yōu)點，量子阱探測器將成為新一代紅外探測器的首要選擇和重要的研究對象。在1987年，世界上第一個使用GaAs/AlGaAs多量子阱材料研制的量子阱紅外探測器（QWIP）在美國AT&T實驗室誕生。之后十年的時間里量子阱紅外探測器實現(xiàn)了從實驗室到工程應(yīng)用的巨大跨越，各個國家都推出了自己的產(chǎn)品，目前有法國Thales公司、瑞典Acreo公司，美國QWIPTech公司、德國AIM公司等制造商都已經(jīng)推出了各種單波單色的量子阱探測器和中波長波雙色量子阱探測器產(chǎn)品[4]。1.2當(dāng)今紅外探測器相關(guān)技術(shù)量子阱紅外探測器在國際范圍上是九十年代才真正有所起步與發(fā)展的。國內(nèi)相關(guān)的發(fā)明和研制方法稍晚一些，但是近年來也取得了比較突出的成績。關(guān)于GaN基量子阱紅外探測器和GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器的研制在國內(nèi)市場作為目前一個備受矚目的熱點。光電半導(dǎo)體業(yè)界著名科學(xué)家Gunapala等人采用GaAs/AlGaAs量子阱結(jié)構(gòu)，利用并繼承量子阱內(nèi)子帶躍遷的探測技術(shù)，研制出256×256及640×484陣列的紅外焦平面攝像機，探測率可達(dá)1010cmHz1/2R/W。國內(nèi)的主要研制成果當(dāng)數(shù)中科院研制出的量子阱紅外探測器，它是測量范圍約為3~5μm及8~14μm的雙色探測器件。近期的主要成果是64×64元量子阱紅外探測器面陣列，目前的技術(shù)都還處在實驗室研究階段，因此還需要在材料和制作工藝上進(jìn)行大量的探究與開發(fā)。1.3量子阱探測器的分類與應(yīng)用紅外探測器是指把入射紅外輻射轉(zhuǎn)變成其他形式能量（在大多數(shù)的情況下轉(zhuǎn)變成電能）的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換器，或是把輻射能轉(zhuǎn)換成另一種可測物理量（如電流、電壓）的傳感器，最早的涂黑溫度計，隨著半導(dǎo)體物理和固體物理學(xué)的發(fā)展，根據(jù)紅外輻射與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)，已經(jīng)研制出各種結(jié)構(gòu)、靈敏度高、響應(yīng)速度快的紅外探測器。對于格式各樣的紅外探測器，有不同的分類方法，如根據(jù)工作溫度，可以分為低溫探測器、中溫探測器、高溫探測器和室溫探測器；根據(jù)響應(yīng)波長范圍，可以分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外探測器；可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和用途，可以分為單元型探測器、多元陣列探測器、成像探測器。目前最常用的分類方法是根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式把它們分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器是先把入射的光子能量轉(zhuǎn)換成熱量，再由光敏元件的溫度變化引起物理參數(shù)變化來探測入射的紅外輻射[8]。探測器的材料因吸收入射紅外輻射，因為溫度升高而產(chǎn)生電阻率變化、自極化強度變化、氣體體積和氣體壓強的變化、溫差電動勢變化。利用這些變化而制造的探測器有以下幾種：測輻射溫差熱電偶熱電堆、熱釋探測器、氣動探測器、熱電阻等。利用紅外輻射的熱效應(yīng)制造的探測器，來測量的輻射能量的吸收速率，熱探測器的響應(yīng)效率只依賴于吸收輻射的功率，與輻射光譜的分布無關(guān)。是一類無選擇性的探測器。這類探測器靈敏度和響應(yīng)速度都比較低，一般在室溫下工作，所以一般是民用探測器。利用探測器材料與入射光子流相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)制造的光子探測器。利用自由載流子（即電子和/或空穴）數(shù)量多少的變化來作為探測器響應(yīng)的條件。光子探測器的響應(yīng)效率隨著吸收的光子數(shù)增加而增加。因是由于為入射光子數(shù)的變化引起的，但熱探測器的響應(yīng)是與所吸收的能量有關(guān)。通過能量的轉(zhuǎn)換方式不同，紅外探測器有了更多的分類（如圖1.1所示）。熱探測器的能量轉(zhuǎn)換過程有：熱伏效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、熱阻效應(yīng)和熱氣動效應(yīng)。而光子探測器的能量轉(zhuǎn)換過程具體包括：光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光發(fā)射效應(yīng)和光電磁效應(yīng)[7]。而我們所要研究的量子阱紅外探測器屬于光子探測器的一種。圖1.1紅外探測器基本分類隨著半導(dǎo)體材料的不斷出現(xiàn)和半導(dǎo)體工藝的不斷更新和成熟，紅外探測器在偵查、遙感、圖像的應(yīng)用十分廣泛。（1）在軍事上，紅外探測器具有環(huán)境適應(yīng)性好、抗干擾能力強、隱蔽性好等優(yōu)點，并且設(shè)備的重量輕功耗低、體積小的特點，被廣泛應(yīng)用于紅外夜視、紅外偵查和紅外制導(dǎo)方面，還可以被用于軍事通信和雷達(dá)等等方面。（2）在工業(yè)上，可以用于生產(chǎn)系統(tǒng)和設(shè)備的故障檢測，如鍋爐軸瓦、煉鋼爐、發(fā)電機、變壓器等，在不停止工作的情況下，用于檢測隱藏的故障，危險部位，便于修理，確保安全和經(jīng)濟的運行，還可以用于產(chǎn)品的質(zhì)量鑒定和無損探測等。（3）在農(nóng)業(yè)和林業(yè)上，利用與遙感技術(shù)的配合，可從高空中調(diào)查農(nóng)作物的生長狀況，預(yù)報害蟲病害，和森林分布狀況，進(jìn)行森林防火預(yù)報。還可以在保護(hù)環(huán)境上，用于調(diào)查空氣質(zhì)量污染及海水質(zhì)量監(jiān)控。（4）在其他方面上，在地質(zhì)、地?zé)帷⒌V物、水資源調(diào)查上。在醫(yī)療上診斷一些疾病，還可以用于防盜，室內(nèi)煤氣的預(yù)警與監(jiān)控；公安人員使用的公安系統(tǒng)對于犯人的調(diào)查、監(jiān)視檢測等等。

第二章量子阱探測器的原理2.1量子阱紅外探測器基本原理的簡介在傳統(tǒng)帶間光吸收電子和吸收光子，會從價帶躍遷到導(dǎo)帶，繼而產(chǎn)生一對光生的電子空穴對，這些光生載流子會在外加偏壓下，收集成光電流，這就是傳統(tǒng)基于帶間吸收半導(dǎo)體光電探測器的基本原理。這種吸收需要光子的能量大于禁帶的寬度，所以對紅外光來說，需要的材料具有很小的禁帶寬度才能發(fā)生這種光吸收。例如探測10μm波長的紅外輻射，要求材料的禁帶寬度需小于0.1eV。所以基于傳統(tǒng)的帶間吸收的紅外探測器一般采用具有窄帶隙的HgCdTe材料。對于“寬”帶隙的材料構(gòu)成的多多量子阱結(jié)構(gòu)，通過量子阱結(jié)構(gòu)與摻雜，會在量子阱內(nèi)形成特定的子能級，在紅外光的作用下，就能發(fā)生量子阱中子能級之間或子能級到連續(xù)態(tài)之間的躍遷，如圖2.1，在偏壓的作用下受激發(fā)的載流子收集形成光電流。以上就是量子阱紅外探測器（QWIP）的基本原理。圖2.1量子阱能帶結(jié)構(gòu)與帶內(nèi)躍遷使用半導(dǎo)體多量子阱材料制成量子阱紅外探測器，機理是利用量子阱的導(dǎo)帶或價帶內(nèi)子能帶到擴展態(tài)間的電子或空穴躍遷。根據(jù)探測的波段不同可分為：以InP襯底上生長的InGaAs/InAlAsQWIP為代表的短波紅外探測器；以GaAs/AlGaAsQWIP為代表的中長波探測器。電學(xué)結(jié)構(gòu)方面，一般為N-I-N（n型）和P-I-P型（p型）。例如，載流子為電子的N型量子阱紅外探測器，兩端N型摻雜層為接觸層，中間的I區(qū)為低摻雜的多量子阱區(qū)域。沒有光照的時候，電子被舒服在導(dǎo)帶中的阱內(nèi)，I區(qū)電阻很高，在收到紅外光輻射下，I區(qū)被舒服的電子躍遷到激發(fā)態(tài)，在偏壓的作用下收集成光電流[10][12]。2.2QWIP的集中躍遷模式在量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過調(diào)節(jié)阱寬、壘寬以及半導(dǎo)體材料中個組分含量等參數(shù)，使量子阱子帶運輸?shù)募ぐl(fā)態(tài)被設(shè)計在阱內(nèi)（束縛態(tài)）、阱外（連續(xù)態(tài)）或者在勢壘的邊緣或者稍低于勢壘頂（準(zhǔn)束縛態(tài)），以便滿足不同的探測需要，獲得最優(yōu)化的探測靈敏度。，研發(fā)人員先后提出了束縛態(tài)到束縛態(tài)（B-BQWIP）、束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)（B-CQWIP）、束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)（B-QBQWIP）以及束縛態(tài)到微帶（B-MiniBQWIP）四種躍遷形式（分別簡稱為B-B、B-C、B-QB、B-M）。圖2.2束縛態(tài)到束縛態(tài)躍遷模式的能帶結(jié)構(gòu)圖世界上第一臺量子阱紅外探測器是n型摻雜的束縛態(tài)到束縛態(tài)躍遷的探測器，即采用了B-B結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖2.2，基態(tài)E0是束縛態(tài)，位于阱內(nèi)，第一激發(fā)態(tài)E1也是束縛態(tài)。當(dāng)有光激發(fā)時，基態(tài)E0上的電子吸收光子能量后垂直躍遷到第一激發(fā)態(tài)E1，隧穿出量子阱，在外加偏壓電壓下形成光電流。這種探測器光譜的響應(yīng)線寬比較窄，因為有電子隧穿，所以需要加很大的外加偏壓[9]。并且勢壘的厚度也不能過大，因此這種隧穿模式中基態(tài)電子，在隧穿時會有較大的暗電流。適當(dāng)增加勢壘厚度和高度，可以減少暗電流的基態(tài)電子隧穿數(shù)目，來提高探測率[5]。通過減小阱的寬度，讓B-BQWIP中的第一激發(fā)態(tài)成為連續(xù)態(tài)，在從束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷的量子阱結(jié)構(gòu)，如圖2.3。第一激發(fā)態(tài)不是束縛態(tài)而是連續(xù)態(tài)，B-CQWIP的主要優(yōu)點是光激發(fā)電子能從阱中激發(fā)到連續(xù)態(tài)上，不需要任何隧穿勢壘的過程，從而使得有效收集光電子所需偏置電壓大大降低，暗電流大大減小。這種QWIP有較寬的光譜響應(yīng)。探測率的提高關(guān)鍵是降低暗電流，而溫度高于45K時，量子阱探測器的暗電流主要是由基態(tài)電子熱激發(fā)到連續(xù)態(tài)造成的，暗電流是量子阱探測器關(guān)鍵指標(biāo)。圖2.3束縛態(tài)到連續(xù)態(tài)躍遷模式的能帶結(jié)構(gòu)圖在較低溫（<50K）時，暗電流的形成大多是因為基態(tài)載流子的連續(xù)共振遂穿，如果加小的偏壓其暗電流會很快降低；在較高溫度（～77K），暗電流形成是由與載流子熱激發(fā)。為了降低暗電流，以便提高探測率。通過改變阱寬、勢壘寬度和高度，使第一激發(fā)態(tài)位于量子阱的頂部，如圖2.4。如圖2.5所示，通過改變、壘寬和勢壘高度，可以設(shè)計以基態(tài)為束縛態(tài)、第一激發(fā)態(tài)正好止于阱頂為準(zhǔn)束縛態(tài)的量子阱結(jié)構(gòu)（B-QB結(jié)構(gòu)）。在B-CQWIP中，對熱激發(fā)而言勢，勢壘高度比光電離能低，而在B-QBQWIP中，勢壘高度與光電離能的高度相同。這樣在升高了的工作溫度下，暗電流也會顯著降低[3]。因此相對于B-CQWIP，B-QB的優(yōu)勢是大大降低了暗電流，探測率得到很大的提高。并且，當(dāng)?shù)谝患ぐl(fā)態(tài)位于量子阱勢壘頂時，子帶間吸收經(jīng)歷了一個共振，使得B-QB結(jié)構(gòu)的光吸收比B-C結(jié)構(gòu)顯著增高[1]。圖2.4束縛態(tài)到準(zhǔn)束縛態(tài)躍遷的能帶結(jié)構(gòu)示意圖圖2.5B-C模式與B-DB模式能帶結(jié)構(gòu)圖及暗電流的對比在B-M結(jié)構(gòu)中，圖2.6，實質(zhì)就是利用多量子阱和超晶格相結(jié)合，在GaAs阱兩次用GaAs/AlGaAs短周期超晶格作為勢壘，選擇量子阱和超晶格的物理參數(shù)使GaAs阱內(nèi)有兩個束縛態(tài)能級，激發(fā)態(tài)能級與兩側(cè)的超晶格的物理參數(shù)使GaAs阱內(nèi)有兩個束縛態(tài)能級，激發(fā)態(tài)能級與兩側(cè)的超晶格基態(tài)微帶相銜接，并構(gòu)成一個整體微帶。在GaAs阱內(nèi)摻雜，是基態(tài)E0上有電子占據(jù)，當(dāng)合適的紅外輻射入射時，GaAs阱內(nèi)基態(tài)能級上的電子被激發(fā)到微帶上，光電子在很低的電場作用下就可通過微帶相干運輸。通過選擇較高的Al組分（x=0.4）；[6]可使高度局域化和有大量電子分布的基態(tài)E0處于由高勢壘超晶格所圍成的深阱內(nèi)，遠(yuǎn)離勢壘上方的連續(xù)態(tài)，可顯著減小基態(tài)電子熱發(fā)射出量子阱。另一方面，通過調(diào)整位點寬度可以減小熱激發(fā)載流子通過微帶隧穿出阱，從而采用B-M結(jié)構(gòu)可以達(dá)到提高光電流和抑制暗電流的目的，并且，由于激發(fā)態(tài)仍主要局限在阱內(nèi)，可以保持較大的激發(fā)態(tài)被波函數(shù)和基態(tài)波函數(shù)的交疊，獲得較大的吸收系數(shù)。圖2.6束縛態(tài)到微帶躍遷模式的能帶結(jié)構(gòu)圖第三章GaAs/AlGaAs量子阱探測器基本參數(shù)3.1量子阱結(jié)構(gòu)的選擇器件設(shè)計時，量子阱結(jié)構(gòu)一般設(shè)計成對稱的矩形結(jié)構(gòu)，這樣的優(yōu)點是：量子阱中能級的計算簡單，便于材料結(jié)構(gòu)和器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。但是在量子阱對稱結(jié)構(gòu)中，具有強的能級間躍遷的選擇性，也就導(dǎo)致了響應(yīng)波長相對單一，另外，使用這種量子阱對稱結(jié)構(gòu)可變的參數(shù)也相對較少，所以這種結(jié)構(gòu)使用的較少。量子阱的非對稱結(jié)構(gòu)也經(jīng)常用于量子阱紅外探測器中，這種設(shè)計有了更自由的發(fā)揮空間以及更多的可選躍遷波長。比如對于圖3.1這樣的臺階式量子阱探測器，可以看到E1到E2以及E1到E3的躍遷，但是量子阱對稱結(jié)構(gòu)中，E1到E3的這種躍遷則是被禁止的。圖3.1臺階量子阱及能級之間躍遷所以這種臺階式的量子阱探測器，結(jié)構(gòu)自由發(fā)揮空間大的探測器，會在我的仿真中出現(xiàn)。3.2QWIP的材料選擇目前來說量子阱探測器的研制絕大部分是GaAs/AlGaAs多量子阱或者GaAs/InGaAs/AlGaAs之類的多量子阱；其中GaAs/AlGaAs材料的晶格比較匹配，生長的量子阱材料質(zhì)量較高，但是后者GaAs/InGaAs/AlGaAs材料在生長的時候晶格不是很匹配，就需要考慮晶格失配帶來的一系列問題，但I(xiàn)nGaAs/AlGaAs材料的設(shè)計自由度比較大可以制作不同波段的紅外光探測器。在一個GaAs襯底之上，可以一起制作GaAs/AlGaAs材料和GaAs/InGaAs/AlGaAs材料的兩種量子阱，改變其中Al、In的成分含量來實現(xiàn)不同波段的探測[4]。GaAs材料生長和器件制備工藝相對來講比較成熟，非常有利于制備大面積的量子阱紅外探測器焦平面陣列（FPA）。GaAs材料的FPA目前已經(jīng)商品化，比起傳統(tǒng)的HgCdTeFPA具有成本低、成品率高等優(yōu)勢。GaAs材料QWIP的優(yōu)點有一下幾點：（1）制作的紅外焦平面面積大，低成本、性能高、均勻性好，材料的生長和器件制備技術(shù)已經(jīng)十分成熟；（2）波長基本連續(xù)，并且可調(diào)度較高；（3）可用于個中紅外探測器的制作。（4）可以控制響應(yīng)帶的寬窄，從而可以控制吸收光的波段大小，并且使用不同的材料制做各種雙色、多色的量子阱探測器。而這些GaAs材料量子阱紅外探測器的優(yōu)點也可以代表了大部分量子阱紅外探測器的優(yōu)勢。對于InP材料的QWIP也是目前研究的熱門，InP材料比起GaAs來講，優(yōu)勢有：（1）InP的晶格匹配性好，InP襯底與InGaAs/InAlAs的異質(zhì)結(jié)晶格十分匹配，易于生長，并且可用于短波紅外探測器的制作；（2）InP的制作工藝也十分成熟，特別是制作光通信探測器和激光器，因為InGaAs/InP晶格匹配，所以這種工藝的發(fā)展也十分迅速；（3）InP的響應(yīng)速度比GaAs/AlGaAs的響應(yīng)速度要快，因為在GaAs/AlGaAs中電子的輸運容易受到缺陷的影響，速度時常會慢上許多，而且InP的熱電子平均自由程比GaAs/AlGaAs的大得多，輸運速度明顯更快，有利于器件的響應(yīng)[11]。當(dāng)然InP材料也有明顯的劣勢。從成本上來說InP的制作成本明顯高于GaAs/AlGaAs材料的制作成本；InP材料比較脆，在制作運輸過程中易碎，對工藝要求也比較高。圖3.2是GaInSb/InAs的超晶格結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，形成了兩種微帶結(jié)構(gòu)，電子（E1）和空穴（HH1），這種帶隙結(jié)構(gòu)也可以用于紅外光的探測，但是這種材料的機理與QWIP的機理不同，它的帶隙在0meV到250meV之間。圖3.2InAs/GaInSb能帶結(jié)構(gòu)圖GaInSb/InAs的工作模式，和較高的溫度下工作是它明顯的優(yōu)勢，正入射的光會被GaInSb/InAs超晶格結(jié)構(gòu)很容易的吸收，所以響應(yīng)速度會非?？?，已經(jīng)和HgCdTe材料的響應(yīng)速度相當(dāng)，因此在新一代的紅外光探測器中被大多數(shù)研究人員認(rèn)可。這種材料應(yīng)為發(fā)展的時間比較短，在工藝制備、材料生長、器件制備、襯底的匹配等等方面還都不是十分成熟。因此，我的設(shè)計中首選工藝已經(jīng)比較成熟的GaAs/AlGaAs材料作為主要的仿真對象，這樣可以增加仿真參數(shù)的選擇，節(jié)約仿真的調(diào)節(jié)時間，利于器件優(yōu)化。3.3入射光的耦合對n型QWIP來說，光的吸收需要遵循量子躍遷選擇定則，為了使子帶中的電子被吸收，然后從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，要讓電矢量垂直于量子阱生長面的入射光，這樣的光耦合才會被量子阱紅外探測器所吸收。為了使入射光耦合通常有幾種辦法。一種方法邊耦合方式，如圖3.3，就是讓入射光線與量子阱生長面成45度角，在QWIP的一邊刻蝕出一個45度的傾角，使光從這邊照射，但這種耦合方式有明顯的缺點，它只能用于單個器件或者線陣列的器件，而且光入射的耦合也不均勻[2]。圖3.3邊耦合示意圖目前一般使用的耦合方式是二維周期光柵耦合（CGW），如圖3.4，光柵在探測器表面的兩個垂直方向上周期性重復(fù)。紅外光束在量子阱區(qū)經(jīng)歷1次衍射，2次反射。雖然CGW耦合模式比邊耦合模式好，但是光柵耦合依靠集合的衍射效應(yīng)，光敏元臺面越大耦合的量子效率和探測率越高，但為了提高器件的分辨率必須減小臺面尺寸，但是這樣會使CGW得耦合性能變差，CGW耦合這種方法需要在一定的波長范圍內(nèi)才能使用，這是因為光柵耦合的特性，這些缺點都使CGW耦合這種方法受到一定的使用限制，對多色探測和寬帶的探測時需要有所斟酌使用。圖3.4二維周期光柵耦合示意圖因為CGW耦合的限制，針對了探測波長的范圍的需要，設(shè)計出了隨機反射耦合（CRR），如圖3.5，在GaAs接觸層上邊使用光刻淀積等工藝，在上邊刻出一個單獨的反射單元，利用粗糙的反射面，把垂直射入襯底的光照，大角度隨機反射，當(dāng)這些光反射被量子阱區(qū)域所捕獲時，就可以被耦合，這樣的耦合方式只有晶體內(nèi)一小部分光輻射會逃逸出去，這樣就增加了光吸收次數(shù)和量子阱探測率，光吸收效率[13]。CRR這種耦合方式是目前來講比較先進(jìn)的一種耦合方式，它可以使用大面積器件或者單個器件，但是因為工藝的復(fù)雜性，光刻條件的限制，制作出來難度較高。圖3.5隨機反射耦合示意圖普林斯頓大學(xué)的科學(xué)家提出了波紋耦合，如圖3.6，使用化學(xué)方法，刻蝕出V型槽在量子阱區(qū)域，接觸到襯底的GaAs材料，在器件表面布滿了三角線。如圖示光路，在AlGaAs與空氣界面處光會發(fā)生全反射，只有入射光束的路徑平行于量子阱的生長面時這種路徑射入，才能被量子阱充分吸收，量子阱器件的效率達(dá)到最大。V型槽的數(shù)目并不與波紋耦合的效率成正比關(guān)系，即使小的光敏器件探測器，波紋耦合也可以很好的適用[20]。而且波紋耦合對波長的要求并不高，可以探測的范圍很大，可以覆蓋3μm到17μm，所以適用于多色探測和寬帶探測。圖3.6波紋耦合圖由于我仿真的是單個器件，而不是對探測器陣列進(jìn)行仿真，所以使用45度角的邊耦合方式即可，便于實現(xiàn)。3.4QWIP的性能參數(shù)圖3.7QWIP中量子阱圖QWIP的性能一般由以下幾個參數(shù)表征：暗電流：在較低溫（<50K）時，基本由基態(tài)載流子的連續(xù)共振遂穿決定，在較小偏壓下其值為大幅降低；較高溫（～77K）時，基本由載流子的熱激發(fā)決定，，為熱激發(fā)到上能級的載流子密度，）。探測率：，（單位：，1瓦輻射功率入射到光敏面積1cm2的探測器上，并用帶寬為1赫茲電路測量所得的信噪比。）噪聲等效溫度差分（NETD）：能分辨的輻射源的最小溫度變化。QWIP光電流：表達(dá)式為，F(xiàn)是入射光子流（1/s），g為光電流增益，其中為量子效率，q是電子電量：（為上能級壽命，為超晶格的總長度，為載流子漂移速度）。響應(yīng)時間：光照到器件上，形成電流，到可讀的時間。3.5量子阱周期數(shù)對器件性能的影響如果用阱捕獲幾率Pc的概念來考慮光增益g，把量子阱作為一個單一陷阱來對待，流經(jīng)一個量子阱的總電流Ip將有一部分（PcIp）被捕獲，剩下的部分（1-Pc）Ip傳送到下一個周期，如圖3.8所示，同時，還有一個由阱發(fā)射出的光電流ip。由于電流連續(xù)性，必然有Ip=（1-Pc）Ip+ip，所以可以得到：PcIp=ip[18][19]，即：阱中光激發(fā)的電流ip與阱捕獲的電流相等，即增加阱的數(shù)目不會增加總光電流，QWIP的量子效率、響應(yīng)度與阱的數(shù)目無關(guān)。圖3.8量子阱電流捕獲和產(chǎn)生示意圖當(dāng)激發(fā)量子阱中基態(tài)的電子，基態(tài)中會留下了許多空的量子態(tài)，這時會產(chǎn)生兩個影響：(1)會有較大的補償，也就是補償-復(fù)合電流產(chǎn)生：因為被激發(fā)的輸運走的電子需要被補充當(dāng)這種補充不斷的進(jìn)行時，一個阱區(qū)中不斷產(chǎn)生光生載流子，它不斷流動就會復(fù)合在別的阱區(qū)，這就形成了一個補償-復(fù)合電流，因此總光電流與阱數(shù)目無關(guān)；（2）很強的復(fù)合過程，即激發(fā)態(tài)的光生載流子壽命很短（~1ps）。量子阱數(shù)目越大，相應(yīng)阱區(qū)總的寬度也越大，因此增益就越小，噪聲也越小，因此提高量子阱的數(shù)目有利于增大器件的信噪比[14]~[17]。有人做了相應(yīng)的實驗對比，在同一襯底上分別做了2周期和20周期的QWIP器件，分別測試了器件的響應(yīng)度和暗電流，發(fā)現(xiàn)：器件的響應(yīng)度兩者基本一致，甚至2周期的QWIP要稍大，而暗電流方面則是20周期的QWIP大大小于2周期的QWIP器件，圖3.9。圖3.9具有2周期和20周期量子阱的QWIP響應(yīng)度和暗電流對比

第四章GaAs/AlGaAs探測器的設(shè)計4.1量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)選取和能帶結(jié)構(gòu)選取通過閱讀文獻(xiàn)和各類材料總結(jié)了一般的GaAs/AlGaAs的能帶結(jié)構(gòu)和相關(guān)的屬性基本參數(shù)：阱寬、壘厚Al的組分比例、摻雜濃度還有周期。選取的量子阱結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表4.1。表4.1兩個常見的量子阱參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)組Al組分x阱寬壘厚周期10.28GaAs：4.8nmAl0.28Ga0.72As：10nm5020.22GaAs：4nmAl0.22Ga0.78As：30nm50優(yōu)化周期，變成20個周期，因為量子阱周期數(shù)對量子效率和響應(yīng)度無影響。GaAs的摻雜濃度為1018的n型摻雜，AlGaAs的摻雜濃度為1020的n型摻雜。使用量子阱干涉模型計算出來的兩個樣品的能級，如表4.2，表中可以看出第一個能級與基態(tài)能級基本相同，第二個能級在阱口附近，兩個峰值波長為8.332μm和13.742μm。表4.2干涉模型計算出的兩個樣品能級1（meV）2（meV）17.8.04889.69422271783268.781182.9154394.124197.665603.29222.2354.2模擬silvaco模擬環(huán)境簡介Silvaco是目前世界上提供商用TCAD的兩家公司之一，另一家是Synopsys（ISE已經(jīng)被Synopsys所收購），Silvaco是如今世界上唯一提供代工和完成解決方案的IC設(shè)計公司和IC軟件供應(yīng)商。Silvaco的模型與仿真思路基于成熟的成果，而大部分都是在IEEE上發(fā)表過的。Silvaco使用DeckBuild進(jìn)行建模還有電學(xué)參數(shù)模擬，外加激勵模擬等過程，用來驗證：器件的的電學(xué)反應(yīng)，其中核心工具有ATENA、ATLAS、SSUPREM3，以便用戶可以進(jìn)行完整的器件建模，電學(xué)模擬等過程，并且SilvacoTCAD具精確的數(shù)據(jù)設(shè)定、計算可收斂、并可視化等等優(yōu)點。圖4.3介紹了Silvaco軟件組成體系。圖4.3Silvaco軟件體系4.3使用ATLAS建立模型使用第一個量子阱參數(shù)搭建模型。首先在ATLAS里建立網(wǎng)格，編輯為二維網(wǎng)格（如有需要可以定義成圓柱形網(wǎng)格），之后區(qū)域定義，從底部建立根據(jù)以上給出的器件參數(shù)，包括襯底緩沖層、量子阱、電極、隔離層等，建立起模型，根據(jù)X軸Y軸的坐標(biāo)點，標(biāo)注好模型的各個區(qū)域，在1-200之間定義好區(qū)域的編號以便之后對該區(qū)域進(jìn)行摻雜，定義電極，軟件中默認(rèn)單位為微米，最小的精確值是納米，建立起模型后對器件進(jìn)行摻雜處理，摻雜是均勻摻雜。完成器件的建立，生成器件結(jié)構(gòu)文件，并保存，重新讀取。軟件可以自動對器件內(nèi)部的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬計算，可以設(shè)置計算模型，使用牛頓模型，和使用普通量子阱效應(yīng)模型來計算，當(dāng)有光照時，因光照產(chǎn)生的載流子可以設(shè)定為電子和空穴兩種載流子，使二者都加入計算。以下是建立模型部分代碼：regionnum=16material=AlGaAsx.min=0.350x.max=0.600y.min=0.2496y.max=0.2596p=0.26regionnum=17material=GaAsx.min=0.350x.max=0.600y.min=0.2596y.max=0.2644regionnum=18material=AlGaAsx.min=0.350x.max=0.600y.min=0.2644y.max=0.2744p=0.26regionnum=19material=GaAsx.min=0.350x.max=0.600y.min=0.2744y.max=0.2792regionnum=72material=Al2O3x.min=0.0x.max=1.4y.min=1.0640y.max=2.0000elecnum=1name=gatex.min=0.4500x.max=0.5000y.min=0.0000y.max=0.0200elecnum=2name=pelex.min=1.0000x.max=1.1000y.min=0.6620y.max=0.6640#dopingbufferlayerGaAsdopinguniformn.typeregion=10conc=3.2e18dopinguniformn.typeregion=11conc=3.2e18#dopingactivelayerGaAsdopinguniformn.typeregion=13conc=1e20dopinguniformn.typeregion=15conc=1e18dopinguniformn.typeregion=17conc=1e20dopinguniformn.typeregion=19conc=1e18dopinguniformn.typeregion=21conc=1e20dopinguniformn.typeregion=23conc=1e18saveoutfile=change01.strmastertonyplotchange01.strmodelsrhprintquantumoutputcon.bandval.bandband.paramt.quantummethodnewtontrap圖4.4建立的量子阱模型圖4.4建立的量子阱模型局部放大圖如圖4.4，成功模擬了GaAs/AlGaAs量子阱模型。紫色的部分是空氣，下半部分綠色的是GaAs襯底，之上淀積了一層緩沖層，加入n型摻雜濃度為1018，這里將量子阱結(jié)構(gòu)部分放大，主要可以清楚的觀察這一部分器件結(jié)構(gòu)和各個部分的比例，將量子阱部分放大，如圖4.5，從而更好的了解期間特性，一般的量子阱探測器的結(jié)構(gòu)量子阱周期都在50個周期以上，襯底和緩沖層厚度非常大，一般有幾十微米到幾百個微米左右，但是量子阱的周期對器件的影響有暗電流的大小，多的周期也可以減小噪聲的影響，由于不針對暗電流與噪聲的大小進(jìn)行測試，方便器件的仿真和其他參數(shù)的模擬計算，從而將周期減小為20周期，而旁邊的SiO2保護(hù)層使用普通器件的保護(hù)層厚度，可以保護(hù)器件，阻隔電流。4.4電學(xué)特性模擬對上述建立器件，分別加上3V和5V電壓激勵，產(chǎn)生的電流電壓特性圖，然后在4V和6V的電壓激勵之上加入波長10μm的光照。模擬出圖，如圖4.6、圖4.7，以下是加光照和電壓激勵的代碼，前半部分是設(shè)定模型model，其中srh是指shockley-read-hall復(fù)合模型它設(shè)定了一個全面的目標(biāo)動態(tài)模型，包括溫度、濃度、平衡場和橫向場的獨立性，quantum是指量子膜。下邊還定義了數(shù)字方法選擇使用newton法求解，是完全耦合技術(shù)，是指在求解時，還考慮了所有未知變量。ModelsrhprintquantumOutputcon.bandval.bandband.paramt.quantumMethodnewtontrap#lightBeamnum=1x.origin=0y.origin=1.5angle=315wavlength=13Logoutfile=change01_2.logSolvevgate=4Solvevgate=6b1=100Tonyplotchange01_2.log圖4.6GaAs/AlGaAs量子阱探測器電流電壓特性曲線圖4.7GaAs/AlGaAs量子阱探測器光照與電流特性曲線從圖4.6中可以看出電流電壓的變化，電流隨著電壓的增大而增大，加3V電壓大約有電流0.00045A，當(dāng)加5V電壓時電流大約為0.00075V。圖4.7看出隨著光照增強電流增加，曲線波長為10μm功率100W，與X軸正半軸方向成45度順時針角度入射，當(dāng)光照增加為100W時電流大約為0.001A，在沒有光照時大約為0.0006A，電流大約增加了0.0004A，增加了百分之六十六，電流有著明顯的增加，因此這個器件可以很好的感應(yīng)波長為10μm的入射光。之后我們加大電壓測試器件的耐壓與擊穿特性，從0V加壓到20V，每1V作為一個臺階,一點一點往上加，以下是加電壓代碼：logoutfile=qwgan2.logsolvevgate=0vstep=1vfinal=20name=gateacfre=1e6directtonyplotqwgan2.log圖4.8施加大電壓特性曲線在圖4.8中可以看出在電壓在0V到8V的時候，電流呈下降趨勢，8V到12V的時候電流緩慢上升，此時已經(jīng)到達(dá)該器件的耐壓上限了，12V之后電流快速上升，說明器件被擊穿了，由于計算機運算速度有限，20V之后的仿真過于慢，但曲線的趨勢會在20V之后持續(xù)上升。

第五章雙波段量子阱探測器模擬5.1器件簡介利用兩種帶隙寬度不同的材料（如GaAs/AlGaAs或者InGaAs/AlGsAs）做成量子阱結(jié)構(gòu)的有源區(qū)量子阱紅外探測器，是用了量子阱結(jié)構(gòu)中的帶間吸收原理，因為當(dāng)量子阱中的基態(tài)電子收到一定的紅外光能量激發(fā)會躍遷到第一激發(fā)態(tài)，當(dāng)對于8到12μm的長紅外波（LWIR）的量子阱結(jié)構(gòu)，我們通常使用GaAs/AlGaAs材料做為量子阱結(jié)構(gòu)，可以吸收長紅外波，調(diào)整量子阱材料中的Al的百分比含量和阱寬就可以改變吸收的紅外波波長，當(dāng)隨著Al的含量增加時，勢壘會增高，吸收的紅外波長會減小，如果Al的成分大到一定含量就會增加材料的生長難度。對于3到5μm的中紅外波長（MWIR）來說，一般使用InGaAs/AlGaAs材料作為阱，也可以調(diào)節(jié)In的成分和InGaAs的厚度，來改變探測的波段長度，來代替了AlGaAs中Al成分過高生長難這一的問題。5.2器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作圖5.1雙色量子阱紅外探測器結(jié)構(gòu)示意圖雙色量子阱紅外探測器分為上下兩層，為階梯型結(jié)構(gòu)，上部分使用GaAs/AlGaAs材料可以探測長紅外波，下半部分使用InGaAs/AlGaAs材料以便用來探測中紅外波，使用兩個電極來控制兩個波段的探測，如圖5.1。量子阱。這種結(jié)構(gòu)應(yīng)為有兩個結(jié)構(gòu)不同的量子阱，可以發(fā)生兩次光子吸收，這樣可以減小因為有高的熱離子勢能產(chǎn)生的暗電流。這種量子阱的光耦合方式主要有45度邊耦合、光柵耦合、隨機反射耦合、波紋耦合等等方式。但大多采用光柵耦合，可以提高耦合的效率，波長與光柵周期之比為0.7的時候吸收效率最高，光柵臺面上光闌部分和非光闌部分的面積為1:1的時候耦合率達(dá)到最大，具有高的光柵深度的可改變的范圍變大，這樣可以降低工藝難度，使光柵的深淺精確度降低。5.3使用ATHENA模擬仿真器件使用silvaco中的ATHENA做工藝的過程模擬，和ATLAS一樣先建立網(wǎng)格，確定襯底，使用半絕緣的GaAs作為襯底，首先生長1.5μm的AlGaAs的腐蝕停止層，在之上生長1μm的n型GaAs作為接觸層，并摻雜，之后生長InGaAs/AlGaAs三十個周期，用來做中紅外波量子阱，其中摻雜Si的濃度為2x1018，其中Al的含量為0.28，再生長0.5μm的GaAs作為上層電極和下層電極，加入n型摻雜，如圖5.2、圖5.3下面是這部分工藝代碼：Initgaastwo.d#depositionDepositgaasthick=1Implantsilicondose=2e18energy=100tilt=0rotation=0amorph#1depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#2depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#……#30depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72depositgaasthick=0.5c.silicon=2e18圖5.2下層InGaAs/AlGaAs量子阱淀積圖5.3InGaAs/AlGaAs量子阱部分放大從圖5.2可以看出下邊淺綠色的為腐蝕停止層的AlGaAs，腐蝕停止層下邊是GaAs襯底，腐蝕停止層上邊為GaAs接觸層，也作為電極層，再之上是密集的GaAs/InGaAs的吸收紅外中波的量子阱部分，將其放大詳細(xì)來看，圖5.3，有三十個周期的GaAs/InGaAs，之上是下層量子阱的GaAs電極層。在此之上生長50個周期的GaAs/AlGaAs量子阱，作為上層量子阱，可以來吸收長波紅外信號，在GaAs中摻入7e17的Si，在其之上淀積一層GaAs作為上層電極。如圖5.4，由于量子阱過于密集，具體淀積的部分可以觀察圖5.5。以下是本部分的代碼：#1depositgaasthick=0.0045c.silicon=7e17depositalgaasthick=0.043#2depositgaasthick=0.0045c.silicon=7e17depositalgaasthick=0.043#……#50depositgaasthick=0.0045c.silicon=7e17depositalgaasthick=0.043depositgaasthick=0.5c.silicon=7e17圖5.4上層GaAs/AlGaAs量子阱淀積圖5.5上層GaAs/AlGaAs量子阱放大圖刻蝕圖形，將上下兩層量子阱的電極部分裸露出來，首先圖上光刻膠，使用干法刻蝕的方法刻蝕出圖形，這里采用臺階式量子阱結(jié)構(gòu)模型，如圖5.6。下面只這部分工藝的代碼：depositphotoresistthick=1

etchphotoresistleftp1.x=0.8

etchgaasleftp1.x=0.8

#1

etchalgaasleftp1.x=0.8

etchgaasleftp1.x=0.8

#2

etchalgaasleftp1.x=0.8

etchgaasleftp1.x=0.8#3#……#50etchalgaasleftp1.x=0.8

etchgaasleftp1.x=0.8etchphotoresistall

depositphotoresistthick=1.0divisions=2

etchphotoresistleftp1.x=0.4

etchgaasleftp1.x=0.4

#1

etchalgaasleftp1.x=0.4

etchingaasleftp1.x=0.4

#2

etchalgaasleftp1.x=0.4

etchingaasleftp1.x=0.4#3#……#30etchalgaasleftp1.x=0.4

etchingaasleftp1.x=0.4etchphotoresistall

#圖5.6刻蝕出電極層的量子阱探測器淀積一層SiO2作為鈍化保護(hù)層，將其刻蝕成型，再使用金屬蒸發(fā)的方法再此之上淀積AL作為電極層，作為引線接通電極，保證工藝的引線的連接。如圖5.7最后制作出完整的器件模型。以下是此部分代碼：depositoxidethick=0.1division=10

#

etchoxidestartx=0.35y=-2.5

etchcontx=0.35y=-7.5

etchcontx=0y=-7.5

etchdonex=0y=-2.5

#

etchphotoresistleftp1.x=0.79

#

etchoxidestartx=0.78y=-3.4485

etchcontx=0.35y=-3.4485

etchcontx=0.35y=-7.5

etchdonex=0.78y=-7.5

etchoxideabovep1.y=-6.319

structureoutfile=qwipabole.str

depositaluminumthick=0.10divisions=2

etchaluminumstarx=0.15y=-1.5

etchcontx=0.15y=-7.5

etchcontx=0y=-7.5

etchdonex=0y=-1.5

etchaluminumstarx=0y=-3

etchcontx=0y=-7.5

etchcontx=0.4y=-7.5

etchdonex=0.4y=-3

etchaluminumstarx=0.25y=-2.5

etchcontx=0.25y=-7.5

etchcontx=0.45y=-7.5

etchdonex=0.45y=-2.5

etchaluminumstarx=0.6y=-2.5

etchcontx=0.95y=-2.5

etchcontx=0.95y=-7.5

etchdonex=0.6y=-7.5

etchaluminumstarx=0.45y=-4

etchcontx=0.95y=-4

etchcontx=0.95y=-7.5

etchdonex=0.45y=-7.5

etchaluminumstarx=1.1y=-2.5

etchcontx=1.1y=-7.5

etchcontx=1.6y=-7.5

etchdonex=1.6y=-2.5

electrodename=anodex=0.5

electrodename=gatex=1

electrodename=pelex=0.2

structmirrorright圖5.7加入電極與保護(hù)層圖5.8最后完整雙波段量子阱器件模型器件制作完成，如圖5.8，最下邊綠色部分是GaAs材料的襯底，之上淡綠色部分是AlGaAs腐蝕停止層，然后淀積一層GaAs的緩沖層，圖中黑色部分是密集的下層GaAs/AlGaAs量子阱部分，之上的綠色的是GaAs做的電極層，接下來是上層GaAs/AlGaAs量子阱部分，藍(lán)色的是SiO2做的側(cè)墻，用于保護(hù)器件和隔離電流，上邊使用金屬蒸發(fā)法淀積的6個鋁電極，其中每一層的電極是一樣的，淀積雙電極可以減少器件的連接斷路而產(chǎn)生的不良反應(yīng)。這次仿真并沒有像上單一器件一樣進(jìn)行電學(xué)測試，所以周期并沒有減少，而模擬了一個完整的工藝步驟。5.4小結(jié)利用已有的量子阱紅外探測器參數(shù)，將兩種可探測不同波段的量子阱探測器，組合起來，一個用來探測長波紅外光的GaAs/AlGaAs量子阱，另一個是用來探測中波紅外光的GaAs/AlGaAs量子阱，將兩種量子阱探測器按照已有了雙色量子阱模型組合起來，并加上側(cè)墻隔離層，上邊淀積一層鋁電極。本次成功模擬出了臺階式雙色量子阱模型，并對工藝流程進(jìn)行了詳細(xì)的模擬，對工藝的流程進(jìn)行優(yōu)化，保證使用最簡潔的工藝流程模擬出，還優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)。

第六章總結(jié)不足與展望通過對GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器的學(xué)習(xí)，對一般的GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器通過對多量子阱紅外探測器的學(xué)習(xí)，到比較成熟的GaAs/AlGaAs多量子阱探測器，包括器件的結(jié)構(gòu)，材料，光的耦合選擇，躍遷方式，性能參數(shù)等各個方面介紹了量子阱探測器的狀況。然后利用已有的量子阱參數(shù)，進(jìn)行一定的改進(jìn)，使用silvaco仿真器件模型，對仿真出來的量子阱探測器模型進(jìn)行電學(xué)的性能測試。整個過程是一個既學(xué)習(xí)又探索的過程。在理論方面研讀了大量的外文資料和相關(guān)書籍，也對國內(nèi)先進(jìn)的紅外探測技術(shù)有所了解。掌握了量子阱紅外探測器的工作原理，和結(jié)構(gòu)各方面參數(shù)，但是從仿真器件到實際制造還是需要一定的過度理論，和一定的實踐學(xué)習(xí)研究的。論文主要是先以普通的量子阱作為學(xué)習(xí)和研究對象，通過已有的簡單量子阱探測器參數(shù)，仿真出來量子阱探測器模型，進(jìn)行電學(xué)特性的測試，并加光照激勵，提高了再使用軟件中所做的模擬與理論想結(jié)合過程的能力。對于以前所接觸的半導(dǎo)體物理課程、薄膜的制備課程、半導(dǎo)體器件課程、半導(dǎo)體工藝課程、光電子學(xué)概論課程、微電子學(xué)概論課程都進(jìn)行了復(fù)習(xí)和更深層面的學(xué)習(xí)。在更深層次上了解了能帶理論、材料特性、器件工藝等各種知識。然后使用所學(xué)知識，在普通的量子阱基礎(chǔ)上，建立一個臺階雙色量子阱器件，并模擬其工藝過程，建立一個完整的雙色量子阱器件模型，并進(jìn)行一定的優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)[1]李鵬．外界條件對應(yīng)變量子阱紅外探測器探測峰的影響[D]，中北大學(xué)，2013[2]周佳偉．量子阱紅外探測器性能參數(shù)測試技術(shù)研究[D]，西安工業(yè)大學(xué)，2009.DOI:10.7666/d.y1554870[3]張瑞鋒．量子阱紅外探測器及紅外材料光電性能的研究[D]，山東大學(xué)，2005.DOI:10.7666/d.y971386[4]周旭昌，譚英，楊春章等．長波量子阱紅外探測器材料技術(shù)研究[J].紅外技術(shù)，2013.(8):463-466[5]連潔，王青圃，程興奎等．量子阱紅外探測器的研究與應(yīng)用[J]，光電子·激光，2002.13(10):1092-1096.DOI:10.3321/j.issn:1005-0086.2002.10.026[6]張佩．量子阱紅外探測器光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)研究[D]，西安工業(yè)大學(xué)，2011.DOI:10.7666/d.y1869843[7]呂小平．熱釋電探測器綜合理論模型分析[D]，長春理工大學(xué)，2006.DOI:10.7666/d.y1041628[8]鄭昕．PbS薄膜的制備及紅外光敏性能的研究[D]，電子科技大學(xué)，2009[9]張健．寬帶量子阱紅外探測器（QWIP）的研究[D]，山東大學(xué)，2006.DOI:10.7666/d.y984820[10]連潔,王青圃,程興奎等．量子阱紅外探測器光耦合模式的發(fā)展?fàn)顩r[J]，半導(dǎo)體光電，2002.23(3):150-153.DOI:10.3969/j.issn.1001-5868.2002.03.002[11]于紹欣．甚長波量子阱紅外探測器光耦合性能研究[D]，華東師范大學(xué)，2006.DOI:10.7666/d.y895421[12]張家鑫．單軸應(yīng)變對量子阱紅外探測器吸收波長的影響[D]，中北大學(xué)，2011[13]連潔．Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體光學(xué)特性研究[D]，山東大學(xué)，2004.DOI:10.7666/d.y661485[14]趙永林，李獻(xiàn)杰，劉英斌等．中波-長波雙色量子阱紅外探測器[J]，微納電子技術(shù)，2008.45(12):689-693.DOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2008.12.002[15]蘇艷梅，種明，曾一平等．128×128三電極中/長波雙色量子阱紅外探測器[J]，紅外與激光工程，2012.41(9):2249-2252.DOI:10.3969/j.issn.1007-2276.2012.09.001[16]FuY,WillanderM,LiNing等．QUANTUMMECHANICALMODELANDSIMULATIONOFGaAs/AlGaAsQUANTUMWELLINFRAREDPHOTO-DETECTOR-ⅠOPTICALASPECTS[J]，紅外與毫米波學(xué)報,2002.21(5):321-326.DOI:10.3321/j.issn:1001-9014.2002.05.001[17]YFU,YANGChang-Li．MODIFICATIONOFABSORPTIONSPECTRUMOFGaAs/AIGaAsQUANTUMWELLINFRAREDPHOTODETECTORBYPOSTGROWTHADJUSTMENT[J]，紅外與毫米波學(xué)報,2006.25(1):1-5.DOI:10.3321/j.issn:1001-9014.2006.01.001[18]H.C.Liu.QuantumWellInfraredPhotodetectors:theBasicDesignandNewResearchDirections[J]，半導(dǎo)體學(xué)報，2001.22(5):529-537.DOI:10.3321/j.issn:0253-4177.2001.05.001.[19]RodríguezEduardoMartín,GonzálezR.Estrella.GaAs/AlGaAsnanoheterostructures:simulationandapplicationonhighmobilitytransistorsNanoheteroestructurasdeGaAs/AlGaAs.Simulaciónyaplicaciónentransistoresdealtamovilidad[J].IngenieríaeInvestigación，2013.31(1)[20]賀利軍，程興奎，李華等．GaAs/AlGaAs超晶格微帶帶寬的計算[J]，半導(dǎo)體學(xué)報，2006.27(1):59-62.DOI:10.3321/j.issn:0253-4177.2006.01.012

致謝首先感謝黨和國家。謝謝宗楊老師對我的一直指導(dǎo)和鼓勵，在他的細(xì)心指導(dǎo)下我得以完成這篇論文，他在理論知識和軟件模擬方面給我了極大的幫助，引導(dǎo)我學(xué)習(xí)和研究探索的方向，及時糾正我在仿真過程中的錯誤，在論文撰寫方面及時指出我的錯誤和不足，有時候我的模擬器件過程卡在一個地方，也是他及時引導(dǎo)我如何順利通過的，完成畢業(yè)設(shè)計每一步都有老師的關(guān)照和扶持，傾注了導(dǎo)師大量的心血，再次我向?qū)煴硎境绺叩木匆夂椭孕牡母兄x，在此對老師說一聲：老師，謝謝您。之所以能順利完成論文，還要感謝我們系微電子團(tuán)隊的老師們，他們在這四年里教會了我大量專業(yè)課的知識，軟件學(xué)習(xí)和應(yīng)用，為我在畢業(yè)設(shè)計方面打下了堅實的基礎(chǔ)，我才能讀懂大量文獻(xiàn)資料，了解微電子這方面的行情知識，在器件結(jié)構(gòu)仿真方面也都是在這四年中學(xué)到的知識，也是微電子的老師們激發(fā)了我對這門學(xué)科的興趣。老師們不單在學(xué)習(xí)上教導(dǎo)我們知識，更多的是傳授了許多做人的道理，在人生的道路上給予我許多啟迪和指引。春去秋來，鳥飛兔走，轉(zhuǎn)眼四年過去，又是一年畢業(yè)季，這次輪到我們了，好比春夢秋云，聚散容易。離校日期漸漸靠近，我最要感謝的就是我的同學(xué)，我的兄弟們，在這四年里，有難同當(dāng)，有苦同吃，給我最多幫助的也是他們，上學(xué)容易，聚散不易，且行且珍惜。

附錄goathena#linexloc=0.00spac=0.10linexloc=0.3spac=0.10linexloc=0.6spac=0.10linexloc=0.9spac=0.10linexloc=1.2spac=0.10linexloc=1.6spac=0.10lineyloc=0.00spac=0.02lineyloc=0.1spac=0.05lineyloc=0.2spac=0.1lineyloc=0.3spac=0.1#initgaastwo.ddepositalgaasthick=1.5#depositgaasthick=1#implantsilicondose=2e18energy=100tilt=0rotation=0amorph#1depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#2depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#3depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#4depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#5depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#6depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#7depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#8depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#9depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#10depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#11depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#12depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#13depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#14depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#15depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#16depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#17depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#18depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#19depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#20depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#21depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#22depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#23depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#24depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#25depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#26depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#27depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#28depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#29depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72#30depositingaasthick=0.0048c.silicon=2.0e18#depositalgaasthick=0.01c.silicon=2.0e18c.fraction=0.28f.fraction=0.72depositgaasthick=0.5c.silicon=2e18#tonyplot#1depositgaasthick=0.0045c.silicon=7e17#depositalgaasthick=0.043#2depositgaasthick=0.0045c.silic