InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的LPE生長(zhǎng)調(diào)控與器件性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義紅外探測(cè)器作為紅外技術(shù)領(lǐng)域的核心元件，在當(dāng)今科技發(fā)展和社會(huì)應(yīng)用中占據(jù)著舉足輕重的地位。尤其是工作在中波紅外（MWIR，3-5μm）波段的探測(cè)器，更是在眾多關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，中波紅外探測(cè)器能夠捕捉微弱的紅外信號(hào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站之間穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)傳輸，為全球通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供了重要支持。在目標(biāo)跟蹤方面，它可以精確地追蹤目標(biāo)物體的紅外輻射特征，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的位置、速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，廣泛應(yīng)用于軍事偵察、航空航天等領(lǐng)域，為國(guó)防安全和空間探索提供了關(guān)鍵技術(shù)保障。在物體識(shí)別領(lǐng)域，中波紅外探測(cè)器能夠根據(jù)不同物體在該波段的獨(dú)特紅外輻射特性，準(zhǔn)確識(shí)別物體的種類、形狀和狀態(tài)，為工業(yè)檢測(cè)、智能安防等領(lǐng)域提供了可靠的技術(shù)手段。長(zhǎng)期以來，碲鎘汞（HgCdTe）探測(cè)器憑借其優(yōu)異的光電性能，在紅外光電探測(cè)領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，HgCdTe探測(cè)器存在一個(gè)顯著的局限性，即需要在低溫環(huán)境下工作。這是因?yàn)樵诟邷叵拢琀gCdTe材料中的載流子熱激發(fā)效應(yīng)顯著增強(qiáng)，導(dǎo)致探測(cè)器的暗電流大幅增加，噪聲水平急劇上升，從而嚴(yán)重降低了探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和分辨率。為了維持低溫工作環(huán)境，需要配備復(fù)雜且昂貴的制冷設(shè)備，這不僅增加了系統(tǒng)的體積、重量和成本，還降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，限制了其在一些對(duì)設(shè)備體積、重量和成本有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合的應(yīng)用。隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)，室溫中波紅外探測(cè)器的研發(fā)成為了紅外探測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。InAs基材料由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)，在室溫中波紅外探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力。與HgCdTe器件相比，InAs基材料在室溫下具有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先，InAs基材料的載流子遷移率較高，這意味著在相同的電場(chǎng)作用下，載流子能夠更快地移動(dòng)，從而提高了探測(cè)器的響應(yīng)速度和信號(hào)傳輸效率。其次，InAs基材料的俄歇復(fù)合系數(shù)較低，這使得載流子的復(fù)合幾率減小，延長(zhǎng)了載流子的壽命，有利于提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和穩(wěn)定性。此外，InAs基器件在勢(shì)壘層材料上有更多的選擇，如AlGaSb、AlAsSb、InAsP、InAlAsSb、InAsSbP等。這些不同的勢(shì)壘層材料具有各自獨(dú)特的物理性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求和器件設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇和優(yōu)化，為InAs基探測(cè)器的性能提升和功能拓展提供了更多的可能性。2014年，紅外領(lǐng)域著名專家波蘭院士安東尼教授對(duì)中波紅外不同探測(cè)材料體系進(jìn)行了全面而深入的對(duì)比研究。研究結(jié)果表明，InAs基探測(cè)器在3-5μm中波室溫探測(cè)中具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)。這一研究成果進(jìn)一步激發(fā)了科研人員對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的研究熱情，推動(dòng)了該領(lǐng)域的快速發(fā)展。材料的生長(zhǎng)技術(shù)對(duì)于InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的性能起著至關(guān)重要的決定性作用。液相外延（LPE）生長(zhǎng)技術(shù)作為一種重要的材料生長(zhǎng)方法，在InAs基探測(cè)器材料的制備中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。LPE生長(zhǎng)技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、生長(zhǎng)速度快、晶體質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)備方面，LPE生長(zhǎng)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的真空系統(tǒng)和高精度的控制設(shè)備，降低了設(shè)備成本和維護(hù)難度。在成本方面，由于設(shè)備簡(jiǎn)單和生長(zhǎng)過程相對(duì)容易控制，LPE生長(zhǎng)技術(shù)的原材料利用率較高，能夠有效降低材料制備成本。在生長(zhǎng)速度方面，LPE生長(zhǎng)技術(shù)的生長(zhǎng)速度比一些其他生長(zhǎng)技術(shù)（如分子束外延）更快，可以在較短的時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延層，提高了生產(chǎn)效率。在晶體質(zhì)量方面，LPE生長(zhǎng)技術(shù)能夠在較低的溫度下進(jìn)行生長(zhǎng)，減少了晶體中的熱應(yīng)力和缺陷，有利于獲得高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，從而為制備高性能的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。通過精確控制LPE生長(zhǎng)過程中的各種參數(shù)，如液相組分、生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)時(shí)間等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)InAs基材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵物理參數(shù)的精確調(diào)控，進(jìn)而優(yōu)化探測(cè)器的性能。然而，盡管InAs基室溫中波紅外探測(cè)器在材料和生長(zhǎng)技術(shù)方面展現(xiàn)出了巨大的潛力，但目前該領(lǐng)域仍面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題。在材料生長(zhǎng)方面，如何進(jìn)一步提高InAs基材料的晶體質(zhì)量，降低材料中的缺陷密度，仍然是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵問題。材料中的缺陷會(huì)導(dǎo)致載流子的散射和復(fù)合，增加探測(cè)器的暗電流和噪聲，降低探測(cè)器的性能。在器件性能方面，如何進(jìn)一步提高探測(cè)器的探測(cè)率、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，也是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，在探測(cè)器的制備工藝和集成技術(shù)方面，還需要不斷探索和創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的小型化、集成化和低成本化，滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ綔y(cè)器的多樣化需求。綜上所述，對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的LPE生長(zhǎng)及器件性能進(jìn)行深入研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在理論意義方面，通過研究InAs基材料的LPE生長(zhǎng)機(jī)制和器件性能的影響因素，可以深入了解材料的物理性質(zhì)和器件的工作原理，為紅外探測(cè)領(lǐng)域的理論發(fā)展提供新的思路和方法。在實(shí)際應(yīng)用價(jià)值方面，高性能的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的研發(fā)成功，將為衛(wèi)星通信、目標(biāo)跟蹤、物體識(shí)別等眾多領(lǐng)域提供更加先進(jìn)、可靠的技術(shù)手段，推動(dòng)這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，也將為我國(guó)在紅外探測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中贏得一席之地，提升我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的科技實(shí)力和國(guó)際影響力。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀I(lǐng)nAs基室溫中波紅外探測(cè)器的研究是當(dāng)前紅外探測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，吸引了眾多科研團(tuán)隊(duì)的關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外均取得了一系列重要進(jìn)展。在國(guó)外，美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)在InAs基探測(cè)器的研究方面處于領(lǐng)先地位。早在20世紀(jì)90年代，美國(guó)就開始了對(duì)InAs基材料和器件的研究，投入了大量的科研資源。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的科研人員采用分子束外延（MBE）技術(shù)生長(zhǎng)InAs基材料，通過精確控制原子層的生長(zhǎng)順序和厚度，制備出了高質(zhì)量的InAs/AlAsSb量子阱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)有效地限制了載流子的運(yùn)動(dòng)，降低了暗電流，提高了探測(cè)器的性能。他們制備的InAs基中波紅外探測(cè)器在77K溫度下，探測(cè)率達(dá)到了1×1012cm?Hz^1/2/W，展現(xiàn)出了優(yōu)異的探測(cè)性能。近年來，美國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)在InAs基探測(cè)器的研究上不斷取得新突破。他們通過優(yōu)化材料的生長(zhǎng)工藝和器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了探測(cè)器的性能。例如，通過在InAs基材料中引入雜質(zhì)原子，改變材料的電學(xué)性質(zhì)，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)速度和探測(cè)率。同時(shí)，他們還開展了對(duì)InAs基探測(cè)器在高溫環(huán)境下性能的研究，為其在更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中的使用提供了理論支持。歐洲的一些國(guó)家如法國(guó)、德國(guó)等也在積極開展InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的研究。法國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)主要側(cè)重于研究InAs基材料的物理性質(zhì)和生長(zhǎng)機(jī)制，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，深入了解材料的能帶結(jié)構(gòu)、載流子輸運(yùn)等特性，為材料的生長(zhǎng)和器件的制備提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。德國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)則在探測(cè)器的制備工藝和集成技術(shù)方面取得了重要進(jìn)展。他們開發(fā)了一種新型的光刻技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)探測(cè)器結(jié)構(gòu)的高精度加工，提高了探測(cè)器的集成度和性能穩(wěn)定性。在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所一直致力于InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的研究，取得了多項(xiàng)具有國(guó)際影響力的成果。該研究所的科研團(tuán)隊(duì)采用液相外延（LPE）生長(zhǎng)技術(shù)，成功制備出了高質(zhì)量的InAs基探測(cè)器材料。通過對(duì)生長(zhǎng)參數(shù)的精細(xì)調(diào)控，如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率、液相組分等，有效地控制了材料的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷密度，提高了材料的質(zhì)量。他們制備的InAs基探測(cè)器在零偏壓下，室溫峰值探測(cè)率達(dá)到了6.8×10?cm?Hz^1/2/W，與國(guó)際商用InAs探測(cè)器的指標(biāo)相當(dāng)。此外，上海理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)與上海技術(shù)物理研究所合作，深入研究了晶格失配對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的影響。他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，InAs和InAsSbP間的晶格失配不是越小越好，而是存在一個(gè)最佳值。當(dāng)晶格失配偏離這個(gè)最佳值時(shí)，材料的質(zhì)量會(huì)惡化，導(dǎo)致探測(cè)器的暗電流增加，探測(cè)性能下降。通過調(diào)整生長(zhǎng)參數(shù)，如改變液相中In、Sb、P的比例，可以獲得合適的晶格失配度，從而提高探測(cè)器的性能。盡管國(guó)內(nèi)外在InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的LPE生長(zhǎng)及器件性能研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足和待解決的問題。在材料生長(zhǎng)方面，雖然LPE生長(zhǎng)技術(shù)能夠制備出高質(zhì)量的InAs基材料，但生長(zhǎng)過程中的一些參數(shù)控制仍不夠精確，導(dǎo)致材料的一致性和重復(fù)性有待提高。不同批次生長(zhǎng)的材料在晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)等方面存在一定的差異，這會(huì)影響探測(cè)器性能的一致性和穩(wěn)定性。此外，材料中的缺陷仍然是一個(gè)難以解決的問題，缺陷會(huì)導(dǎo)致載流子的散射和復(fù)合，增加探測(cè)器的暗電流，降低探測(cè)率。在器件性能方面，目前的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器在探測(cè)率、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等方面仍與理論值存在一定差距，需要進(jìn)一步優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制備工藝來提高性能。探測(cè)器的制備工藝還不夠成熟，制備過程中的一些工藝步驟如光刻、刻蝕、電極制備等容易引入雜質(zhì)和缺陷，影響探測(cè)器的性能。在探測(cè)器的應(yīng)用方面，雖然InAs基室溫中波紅外探測(cè)器在一些領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如探測(cè)器與其他系統(tǒng)的集成、抗干擾能力等問題，需要進(jìn)一步研究和解決。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于InAs基室溫中波紅外探測(cè)器，旨在通過對(duì)LPE生長(zhǎng)工藝的深入研究以及對(duì)器件性能的全面表征，揭示二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，為提高探測(cè)器性能提供理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。具體研究?jī)?nèi)容如下：InAs基材料的LPE生長(zhǎng)工藝研究：深入探究LPE生長(zhǎng)過程中各關(guān)鍵參數(shù)，如液相組分、生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率等對(duì)InAs基材料晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)以及缺陷密度的影響機(jī)制。通過系統(tǒng)性地調(diào)整這些參數(shù)，生長(zhǎng)出一系列具有不同結(jié)構(gòu)和性能的InAs基材料樣品。運(yùn)用XRD、SEM、AFM等先進(jìn)材料表征技術(shù)，對(duì)樣品的晶體質(zhì)量、表面形貌和界面特性進(jìn)行精確分析，建立生長(zhǎng)參數(shù)與材料微觀結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，從而確定出優(yōu)化的LPE生長(zhǎng)工藝條件，為制備高質(zhì)量的InAs基探測(cè)器材料奠定基礎(chǔ)。InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的制備：基于優(yōu)化后的LPE生長(zhǎng)工藝，制備InAs基室溫中波紅外探測(cè)器。精心設(shè)計(jì)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，包括勢(shì)壘層、吸收層和窗口層等各層的材料選擇和厚度確定，以實(shí)現(xiàn)對(duì)載流子的有效控制和對(duì)紅外光的高效吸收。采用先進(jìn)的光刻、刻蝕和電極制備等微納加工工藝，精確控制探測(cè)器的尺寸和形狀，降低工藝引入的缺陷和雜質(zhì)，提高探測(cè)器的性能一致性和穩(wěn)定性。InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的性能表征：對(duì)制備好的探測(cè)器進(jìn)行全面的性能測(cè)試和表征。利用I-V測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量探測(cè)器的暗電流特性，分析暗電流產(chǎn)生的機(jī)制以及與材料結(jié)構(gòu)和器件工藝的關(guān)系；采用傅里葉變換紅外光譜儀和鎖相放大器等設(shè)備，測(cè)量探測(cè)器的響應(yīng)光譜、響應(yīng)率和探測(cè)率等光電性能參數(shù)，研究探測(cè)器對(duì)中波紅外光的響應(yīng)特性；通過時(shí)間分辨測(cè)試技術(shù)，測(cè)量探測(cè)器的響應(yīng)速度和恢復(fù)時(shí)間，評(píng)估其在快速變化信號(hào)檢測(cè)中的能力。此外，還將研究探測(cè)器在不同溫度、偏壓和光照條件下的性能穩(wěn)定性，為其實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。LPE生長(zhǎng)工藝與器件性能的關(guān)聯(lián)分析：綜合材料生長(zhǎng)工藝研究和器件性能表征的結(jié)果，深入分析LPE生長(zhǎng)工藝參數(shù)對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的影響規(guī)律。建立材料微觀結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)與器件光電性能之間的物理模型，從理論上解釋生長(zhǎng)工藝如何通過影響材料質(zhì)量進(jìn)而影響探測(cè)器的性能。通過這種關(guān)聯(lián)分析，為進(jìn)一步優(yōu)化LPE生長(zhǎng)工藝和探測(cè)器結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器性能的全面提升。在研究方法上，本研究將采用實(shí)驗(yàn)研究與理論分析相結(jié)合的方式：實(shí)驗(yàn)研究：搭建LPE生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行InAs基材料的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。按照設(shè)計(jì)的生長(zhǎng)參數(shù)組合，生長(zhǎng)多個(gè)樣品，并對(duì)每個(gè)樣品進(jìn)行詳細(xì)的材料表征和器件制備。利用先進(jìn)的測(cè)試設(shè)備，對(duì)探測(cè)器的各項(xiàng)性能進(jìn)行精確測(cè)量，獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，注重實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。理論分析：運(yùn)用半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)等相關(guān)理論，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析和解釋。建立材料生長(zhǎng)和器件性能的理論模型，通過數(shù)值模擬的方法，研究生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)材料結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響，以及器件結(jié)構(gòu)和工作條件對(duì)光電性能的影響。將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證理論模型的正確性，并進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究的開展。對(duì)比研究：將本研究中制備的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器與國(guó)內(nèi)外已有的同類探測(cè)器進(jìn)行性能對(duì)比分析。從探測(cè)率、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等多個(gè)方面進(jìn)行全面比較，找出本研究中探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)和不足。通過對(duì)比研究，借鑒其他研究團(tuán)隊(duì)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為改進(jìn)本研究中的探測(cè)器性能提供參考。二、InAs基室溫中波紅外探測(cè)器概述2.1InAs基材料特性InAs基材料作為一種重要的化合物半導(dǎo)體材料，在中波紅外探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這與其優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)以及載流子遷移率等特性密切相關(guān)。從晶體結(jié)構(gòu)來看，InAs屬于閃鋅礦結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有高度的對(duì)稱性。其晶格常數(shù)為a=6.0584?，原子之間通過共價(jià)鍵相互結(jié)合，形成了穩(wěn)定的晶體框架。在閃鋅礦結(jié)構(gòu)中，每個(gè)In原子被四個(gè)As原子以正四面體的方式包圍，同樣，每個(gè)As原子也被四個(gè)In原子以正四面體的方式包圍。這種緊密堆積的結(jié)構(gòu)使得InAs材料具有較高的穩(wěn)定性和良好的物理性能，為其在紅外探測(cè)器中的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。InAs基材料的能帶結(jié)構(gòu)是其實(shí)現(xiàn)中波紅外探測(cè)的關(guān)鍵因素之一。InAs是直接帶隙半導(dǎo)體，室溫下的禁帶寬度約為0.354eV。這種直接帶隙特性使得電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間躍遷時(shí)，不需要聲子的參與，從而具有較高的躍遷概率。當(dāng)紅外光子照射到InAs基材料上時(shí)，光子能量能夠直接被材料吸收，激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，這為高效的光電轉(zhuǎn)換提供了可能。與間接帶隙半導(dǎo)體相比，直接帶隙半導(dǎo)體在光吸收和光電轉(zhuǎn)換效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠更有效地探測(cè)紅外光信號(hào)。載流子遷移率是衡量半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的重要參數(shù)，InAs基材料在這方面表現(xiàn)出色。InAs具有較高的電子遷移率，室溫下電子遷移率可達(dá)33000cm2/(V·s)。高載流子遷移率意味著電子在材料中能夠快速移動(dòng)，當(dāng)探測(cè)器受到紅外光照射產(chǎn)生光生載流子時(shí)，這些載流子能夠迅速地在材料中傳輸，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)速度。在快速變化的紅外光信號(hào)探測(cè)中，高載流子遷移率使得探測(cè)器能夠快速響應(yīng)光信號(hào)的變化，準(zhǔn)確地捕捉到光信號(hào)的信息。高載流子遷移率還有助于降低探測(cè)器的電阻，減少能量損耗，提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度。此外，InAs基材料還具有較低的俄歇復(fù)合系數(shù)。俄歇復(fù)合是半導(dǎo)體中載流子復(fù)合的一種重要方式，它會(huì)導(dǎo)致載流子壽命縮短，影響探測(cè)器的性能。InAs基材料較低的俄歇復(fù)合系數(shù)使得載流子的復(fù)合幾率減小，延長(zhǎng)了載流子的壽命。這意味著在相同的光照條件下，InAs基探測(cè)器中的光生載流子能夠存在更長(zhǎng)的時(shí)間，從而增加了探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的積分時(shí)間，提高了探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和信噪比。InAs基材料的這些特性使其在中波紅外探測(cè)中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。高載流子遷移率和低俄歇復(fù)合系數(shù)使得InAs基探測(cè)器能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)性能，避免了像HgCdTe探測(cè)器那樣需要低溫制冷的復(fù)雜要求。InAs基器件在勢(shì)壘層材料上有更多的選擇，如AlGaSb、AlAsSb、InAsP、InAlAsSb、InAsSbP等。這些不同的勢(shì)壘層材料與InAs材料組合，可以形成各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶排列和界面特性，可以進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器的性能，如提高探測(cè)器的響應(yīng)率、探測(cè)率和穩(wěn)定性等。2.2探測(cè)器工作原理InAs基室溫中波紅外探測(cè)器主要基于光生伏特效應(yīng)工作。當(dāng)波長(zhǎng)在3-5μm的中波紅外光入射到InAs基探測(cè)器的吸收層時(shí)，由于InAs基材料的能帶結(jié)構(gòu)特性，紅外光子的能量能夠被吸收層中的電子吸收。InAs是直接帶隙半導(dǎo)體，室溫下禁帶寬度約為0.354eV，中波紅外光子的能量與InAs的禁帶寬度相匹配，使得電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，即光生載流子。在InAs基探測(cè)器的結(jié)構(gòu)中，通常會(huì)形成一個(gè)pn結(jié)或異質(zhì)結(jié)。以典型的p-InAsSbP/n-InAs結(jié)構(gòu)為例，在p型InAsSbP和n型InAs的界面處，由于兩者的費(fèi)米能級(jí)不同，會(huì)形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)光生載流子產(chǎn)生后，在這個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)向n型區(qū)漂移，空穴會(huì)向p型區(qū)漂移。這種載流子的定向移動(dòng)就形成了光生電流，即探測(cè)器的輸出信號(hào)。假設(shè)探測(cè)器的吸收層厚度為L(zhǎng)，光生載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度為L(zhǎng)_d，當(dāng)L\leqL_d時(shí)，大部分光生載流子能夠在復(fù)合之前被內(nèi)建電場(chǎng)分離并收集，從而產(chǎn)生有效的光電流。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，光生電流密度J_{ph}可以用以下公式表示：J_{ph}=q\cdot\eta\cdotG\cdotL_d其中，q是電子電荷量，\eta是量子效率，表示產(chǎn)生的光生載流子數(shù)與入射光子數(shù)的比值，G是光生載流子產(chǎn)生率，與入射光強(qiáng)度、吸收系數(shù)等因素有關(guān)。探測(cè)器的響應(yīng)率R是衡量探測(cè)器對(duì)光信號(hào)響應(yīng)能力的重要參數(shù)，定義為探測(cè)器輸出的光電流與入射光功率的比值，即R=\frac{I_{ph}}{P_{in}}，其中I_{ph}是光電流，P_{in}是入射光功率。響應(yīng)率與探測(cè)器的量子效率、載流子遷移率等因素密切相關(guān)。高載流子遷移率使得光生載流子能夠快速移動(dòng)，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)率。InAs基材料較高的電子遷移率（室溫下可達(dá)33000cm2/(V·s)），為探測(cè)器實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)率提供了有利條件。在實(shí)際工作中，探測(cè)器不可避免地會(huì)產(chǎn)生暗電流。暗電流是指在沒有光照的情況下，探測(cè)器中仍然存在的電流。暗電流的產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，主要包括熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子、表面漏電流以及隧道電流等。熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子是由于探測(cè)器工作在室溫下，材料中的電子會(huì)因熱運(yùn)動(dòng)而獲得足夠的能量，從而躍遷到導(dǎo)帶，形成暗電流。表面漏電流則是由于探測(cè)器表面存在缺陷、雜質(zhì)等，導(dǎo)致電子在表面的泄漏。隧道電流是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，電子通過量子隧道效應(yīng)穿過勢(shì)壘而產(chǎn)生的電流。暗電流的存在會(huì)增加探測(cè)器的噪聲，降低探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和信噪比。因此，降低暗電流是提高InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的關(guān)鍵之一。通過優(yōu)化探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和制備工藝，如選擇合適的勢(shì)壘層材料、提高材料的晶體質(zhì)量、改善表面鈍化工藝等，可以有效地降低暗電流。2.3應(yīng)用領(lǐng)域InAs基室溫中波紅外探測(cè)器憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值，為各領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供了關(guān)鍵支持。在軍事領(lǐng)域，InAs基室溫中波紅外探測(cè)器發(fā)揮著不可或缺的作用。在導(dǎo)彈制導(dǎo)方面，中波紅外探測(cè)器能夠在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，如煙霧、沙塵等惡劣氣象條件下，準(zhǔn)確地捕捉目標(biāo)的紅外輻射信號(hào)。由于中波紅外波段對(duì)煙霧等具有一定的穿透能力，使得探測(cè)器可以獲取目標(biāo)的精確位置信息，為導(dǎo)彈的飛行提供準(zhǔn)確的引導(dǎo)，確保導(dǎo)彈能夠在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精確打擊，極大地提升了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。在夜視偵察任務(wù)中，InAs基探測(cè)器被廣泛應(yīng)用于無人機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)等軍事平臺(tái)。在夜間或惡劣天氣下，這些平臺(tái)上的探測(cè)器能夠幫助飛行員清晰地識(shí)別目標(biāo)，及時(shí)掌握敵方動(dòng)態(tài)。通過對(duì)目標(biāo)紅外輻射的探測(cè)，探測(cè)器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理和圖像重建，在顯示設(shè)備上呈現(xiàn)出目標(biāo)的紅外圖像，使飛行員能夠在黑暗或惡劣天氣中進(jìn)行偵察和作戰(zhàn)行動(dòng)，提高了作戰(zhàn)效率和安全性。紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)（IRST）中，InAs基中波紅外探測(cè)器作為核心部件，主要用于探測(cè)和跟蹤敵軍的飛機(jī)等熱源目標(biāo)。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特征，通過分析這些特征來確定目標(biāo)的位置、速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，為軍事偵察和防御提供關(guān)鍵信息，增強(qiáng)了軍事力量的預(yù)警和防御能力。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，IRST系統(tǒng)能夠提前發(fā)現(xiàn)敵方目標(biāo)，為己方部隊(duì)提供足夠的反應(yīng)時(shí)間，采取相應(yīng)的防御或攻擊措施，從而在戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)地位。安防領(lǐng)域也是InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。在視頻監(jiān)控方面，InAs基探測(cè)器能夠在夜間或低光照環(huán)境下，對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的可見光監(jiān)控設(shè)備不同，紅外探測(cè)器不受光線條件的限制，能夠通過探測(cè)物體發(fā)出的紅外輻射來獲取圖像信息。在夜間，當(dāng)可見光不足時(shí)，InAs基探測(cè)器可以清晰地捕捉到人員、車輛等物體的紅外圖像，為安防監(jiān)控提供可靠的圖像資料。在入侵檢測(cè)系統(tǒng)中，探測(cè)器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境的紅外輻射變化。當(dāng)有非法入侵人員進(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，人體發(fā)出的紅外輻射會(huì)引起探測(cè)器周圍紅外輻射場(chǎng)的變化，探測(cè)器能夠迅速檢測(cè)到這種變化，并觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，及時(shí)通知安保人員采取相應(yīng)措施，保障了安防區(qū)域的安全。在重要設(shè)施的周界防范中，InAs基探測(cè)器可以組成紅外探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)設(shè)施周邊進(jìn)行全方位的監(jiān)控，有效防止非法入侵事件的發(fā)生。環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域同樣離不開InAs基室溫中波紅外探測(cè)器。在大氣污染監(jiān)測(cè)方面，探測(cè)器可以通過分析特定污染物在中波紅外波段的吸收特征，來確定污染物的類型和濃度。不同的污染物在中波紅外波段具有獨(dú)特的吸收光譜，當(dāng)紅外光穿過含有污染物的大氣時(shí)，某些波長(zhǎng)的紅外光會(huì)被污染物吸收，導(dǎo)致探測(cè)器接收到的紅外輻射強(qiáng)度發(fā)生變化。通過對(duì)這種變化的分析，就可以準(zhǔn)確地識(shí)別出污染物的種類，并計(jì)算出其濃度，為環(huán)境保護(hù)部門提供數(shù)據(jù)支持，以便及時(shí)采取治理措施，改善空氣質(zhì)量。在水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)中，InAs基探測(cè)器也能發(fā)揮重要作用。水體中的某些污染物，如化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）等，在中波紅外波段具有特定的吸收特征。探測(cè)器可以通過檢測(cè)水體對(duì)中波紅外光的吸收情況，來評(píng)估水質(zhì)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理水污染問題，保護(hù)水資源的安全。在一些工業(yè)廢水排放口和水源地，安裝InAs基室溫中波紅外探測(cè)器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，確保工業(yè)廢水達(dá)標(biāo)排放，保障水源地的水質(zhì)安全。醫(yī)療領(lǐng)域中，InAs基室溫中波紅外探測(cè)器也展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在醫(yī)學(xué)成像方面，中波紅外成像技術(shù)可以用于檢測(cè)人體的生理狀況。人體不同組織和器官在中波紅外波段具有不同的輻射特性，通過對(duì)這些輻射特性的檢測(cè)和分析，可以獲得人體內(nèi)部的生理信息，輔助醫(yī)生進(jìn)行疾病診斷。在檢測(cè)乳腺疾病時(shí)，中波紅外成像技術(shù)可以通過檢測(cè)乳腺組織的紅外輻射差異，發(fā)現(xiàn)乳腺腫瘤等病變。腫瘤組織由于代謝旺盛，其紅外輻射強(qiáng)度和分布與正常組織不同，探測(cè)器可以捕捉到這些差異，為醫(yī)生提供診斷依據(jù)。在體溫檢測(cè)方面，InAs基探測(cè)器能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量人體體溫。通過探測(cè)人體發(fā)出的紅外輻射，探測(cè)器可以將其轉(zhuǎn)化為溫度信號(hào)，實(shí)現(xiàn)非接觸式體溫測(cè)量。在疫情防控等場(chǎng)景中，這種非接觸式體溫檢測(cè)設(shè)備可以快速對(duì)人群進(jìn)行體溫篩查，提高檢測(cè)效率，減少交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。三、LPE生長(zhǎng)技術(shù)原理與工藝3.1LPE生長(zhǎng)技術(shù)原理液相外延（LPE）生長(zhǎng)技術(shù)是一種基于溶液生長(zhǎng)原理的材料制備方法，在半導(dǎo)體材料尤其是InAs基材料的生長(zhǎng)中具有重要地位。其基本原理是利用溶質(zhì)在溶液中的溶解度隨溫度變化的特性，通過控制溫度使溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)，從而使溶質(zhì)以晶體的形式在襯底表面析出并生長(zhǎng)。具體而言，在LPE生長(zhǎng)過程中，首先需要準(zhǔn)備含有目標(biāo)材料成分的溶液。以生長(zhǎng)InAs基材料為例，溶液中通常包含In、As等元素，這些元素可以以化合物或單質(zhì)的形式存在。將溶液和襯底放置在特定的生長(zhǎng)裝置中，如常用的水平滑動(dòng)石墨舟。生長(zhǎng)裝置需要具備精確的溫度控制能力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)過程的精準(zhǔn)調(diào)控。將溶液和襯底加熱至稍高于溶液的飽和溫度，使溶液達(dá)到均相狀態(tài)，此時(shí)溶質(zhì)充分溶解在溶液中。隨后，通過緩慢降低溫度，溶液逐漸達(dá)到過飽和狀態(tài)。根據(jù)溶液過飽和理論，當(dāng)溶液的濃度超過其在該溫度下的溶解度時(shí)，溶質(zhì)就會(huì)有從溶液中析出的趨勢(shì)。在LPE生長(zhǎng)中，襯底為溶質(zhì)的析出提供了成核位點(diǎn)，溶質(zhì)會(huì)在襯底表面逐漸結(jié)晶，形成一層一層的晶體結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)材料的外延生長(zhǎng)。從熱力學(xué)角度來看，LPE生長(zhǎng)過程符合晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)原理。晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力是過飽和度，過飽和度越大，晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力就越強(qiáng)。在LPE生長(zhǎng)中，通過控制降溫速率可以調(diào)節(jié)過飽和度的大小。如果降溫速率過快，溶液會(huì)迅速達(dá)到過飽和狀態(tài)，過飽和度較大，此時(shí)晶體生長(zhǎng)速度較快，但容易產(chǎn)生較多的缺陷，因?yàn)榭焖偕L(zhǎng)可能導(dǎo)致原子排列不規(guī)則，晶體結(jié)構(gòu)不夠完善。相反，如果降溫速率過慢，過飽和度較小，晶體生長(zhǎng)速度較慢，雖然可以獲得質(zhì)量較高的晶體，但生長(zhǎng)效率較低，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。因此，在實(shí)際的LPE生長(zhǎng)過程中，需要根據(jù)材料的特性和生長(zhǎng)要求，精確控制降溫速率，以獲得合適的過飽和度，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率的晶體生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器材料時(shí)，LPE生長(zhǎng)技術(shù)能夠在較低的溫度下進(jìn)行生長(zhǎng)，這對(duì)于InAs基材料來說具有重要意義。較低的生長(zhǎng)溫度可以減少材料中的熱應(yīng)力，降低晶體中的缺陷密度，有利于獲得高質(zhì)量的InAs基材料。LPE生長(zhǎng)技術(shù)還能夠精確控制生長(zhǎng)層的厚度和成分，通過調(diào)整溶液中各元素的比例和生長(zhǎng)時(shí)間，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)InAs基材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵物理參數(shù)的精確調(diào)控，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的要求。3.2LPE生長(zhǎng)工藝過程LPE生長(zhǎng)InAs基材料是一個(gè)精細(xì)且復(fù)雜的過程，每一個(gè)步驟都對(duì)最終材料的質(zhì)量和性能有著至關(guān)重要的影響，具體工藝過程如下：襯底預(yù)處理：襯底的質(zhì)量是影響外延層生長(zhǎng)質(zhì)量的基礎(chǔ)，因此在生長(zhǎng)之前，需要對(duì)襯底進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。本研究選用的是InAs襯底，首先將其依次放入丙酮、異丙醇和去離子水中進(jìn)行超聲清洗，每個(gè)步驟持續(xù)15-20分鐘。丙酮具有良好的溶解性，能夠有效去除襯底表面的油脂、有機(jī)物等污染物；異丙醇則可以進(jìn)一步去除殘留的雜質(zhì)，并起到脫水的作用；去離子水用于沖洗掉前兩者清洗過程中殘留的化學(xué)物質(zhì)。清洗完成后，使用由過氧化氫（H_2O_2）和硝酸（HNO_3）按體積比5：3混合而成的溶液對(duì)襯底進(jìn)行蝕刻，蝕刻時(shí)間約為3-5分鐘。這種混合溶液能夠與襯底表面的自然氧化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將其去除，從而獲得清潔、新鮮的襯底表面。清洗和蝕刻后的襯底需要立即進(jìn)行干燥處理，以防止表面再次被氧化或污染，可采用氮?dú)獯蹈傻姆绞?。通過這些預(yù)處理步驟，可以確保襯底表面的潔凈度和化學(xué)活性，為后續(xù)的外延生長(zhǎng)提供良好的基礎(chǔ)。如果襯底表面存在雜質(zhì)或氧化層，可能會(huì)導(dǎo)致外延層與襯底之間的附著力下降，影響晶體的生長(zhǎng)取向，甚至引入缺陷，從而降低材料的質(zhì)量和探測(cè)器的性能。源材料準(zhǔn)備：源材料的純度和均勻性直接影響著生長(zhǎng)出的InAs基材料的質(zhì)量。本研究中，生長(zhǎng)熔體的前驅(qū)體為未摻雜的多晶InAs、InP，以及7N（99.99999%）純度的銦（In）和銻（Sb）。在使用之前，將這些源材料在650℃的高溫下，在經(jīng)過凈化的氫氣氣流（氫氣凈化器：Simpure9NP050-H）中烘烤2.5小時(shí)。高溫烘烤可以使源材料中的雜質(zhì)充分揮發(fā)，同時(shí)促進(jìn)材料的均勻化，確保源材料在后續(xù)的生長(zhǎng)過程中能夠提供穩(wěn)定、均勻的原子供應(yīng)。氫氣氣流的作用是在烘烤過程中帶走揮發(fā)的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)重新附著在源材料表面。凈化后的氫氣純度極高，能夠有效減少雜質(zhì)的引入。若源材料中的雜質(zhì)未被充分去除，在生長(zhǎng)過程中這些雜質(zhì)可能會(huì)進(jìn)入InAs基材料晶格中，成為缺陷中心，影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能，進(jìn)而降低探測(cè)器的探測(cè)率和響應(yīng)速度。生長(zhǎng)過程控制：生長(zhǎng)過程在傳統(tǒng)的水平滑動(dòng)石墨舟中進(jìn)行，采用過冷技術(shù)在550℃開始生長(zhǎng)。將經(jīng)過預(yù)處理的襯底和準(zhǔn)備好的源材料放入石墨舟中，然后將石墨舟置于高溫爐內(nèi)。首先將爐內(nèi)溫度升高至略高于源材料的熔點(diǎn)，使源材料充分熔化，形成均勻的液相。在這個(gè)過程中，需要精確控制升溫速率，一般控制在5-10℃/分鐘，以確保源材料均勻熔化，避免溫度過高或升溫過快導(dǎo)致材料分解或揮發(fā)。當(dāng)源材料完全熔化后，將襯底緩慢浸入液相中，此時(shí)襯底表面與液相接觸，開始進(jìn)行外延生長(zhǎng)。通過緩慢降低溫度，使溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)在襯底表面逐漸結(jié)晶生長(zhǎng)。降溫速率是生長(zhǎng)過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接影響著晶體的生長(zhǎng)速度和質(zhì)量。一般來說，降溫速率控制在0.5-1℃/分鐘，這樣可以使晶體在襯底表面緩慢、有序地生長(zhǎng)，減少缺陷的產(chǎn)生。如果降溫速率過快，溶液會(huì)迅速達(dá)到過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)速度過快，容易產(chǎn)生晶格缺陷和位錯(cuò)；如果降溫速率過慢，生長(zhǎng)效率會(huì)降低，且可能會(huì)出現(xiàn)溶質(zhì)在溶液中自發(fā)成核的現(xiàn)象，影響外延層的質(zhì)量。在生長(zhǎng)過程中，還需要控制溶液的對(duì)流和攪拌，以確保溶質(zhì)在溶液中的均勻分布?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)石墨舟的移動(dòng)速度或在爐內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)臍饬鱽韺?shí)現(xiàn)對(duì)溶液對(duì)流的控制。后處理：生長(zhǎng)完成后，需要對(duì)樣品進(jìn)行后處理，以進(jìn)一步提高材料的質(zhì)量和性能。將樣品從生長(zhǎng)設(shè)備中取出，首先進(jìn)行清洗，去除表面殘留的溶液和雜質(zhì)。清洗方法與襯底預(yù)處理時(shí)類似，依次用丙酮、異丙醇和去離子水進(jìn)行超聲清洗。清洗后，對(duì)樣品進(jìn)行退火處理，退火溫度一般在400-500℃之間，退火時(shí)間為1-2小時(shí)。退火處理可以消除材料內(nèi)部的應(yīng)力，修復(fù)生長(zhǎng)過程中產(chǎn)生的一些缺陷，改善材料的晶體結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。通過退火，能夠使材料中的原子重新排列，減少晶格畸變，提高載流子的遷移率，從而提升探測(cè)器的性能。后處理過程中，還可以對(duì)樣品進(jìn)行表面鈍化處理，以減少表面態(tài)對(duì)材料性能的影響?？梢圆捎没瘜W(xué)氣相沉積（CVD）等方法在樣品表面沉積一層鈍化膜，如二氧化硅（SiO_2）或氮化硅（Si_3N_4）等。鈍化膜能夠有效地保護(hù)樣品表面，防止表面氧化和污染，同時(shí)降低表面態(tài)密度，減少表面漏電流，提高探測(cè)器的穩(wěn)定性和可靠性。3.3LPE生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)InAs基材料的影響3.3.1生長(zhǎng)溫度生長(zhǎng)溫度是LPE生長(zhǎng)InAs基材料過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)材料的生長(zhǎng)速率、晶格結(jié)構(gòu)和晶體質(zhì)量有著顯著的影響。在生長(zhǎng)速率方面，根據(jù)晶體生長(zhǎng)理論，生長(zhǎng)溫度與生長(zhǎng)速率之間存在密切的關(guān)系。一般來說，生長(zhǎng)溫度升高，原子的擴(kuò)散速率加快，溶質(zhì)在溶液中的擴(kuò)散系數(shù)增大，從而使得晶體的生長(zhǎng)速率提高。研究表明，當(dāng)生長(zhǎng)溫度從500℃升高到550℃時(shí)，InAs基材料的生長(zhǎng)速率從0.5μm/h增加到1.2μm/h。這是因?yàn)闇囟壬?，溶液中原子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子更容易從溶液中擴(kuò)散到襯底表面，并在襯底表面吸附、遷移和結(jié)晶，從而加快了晶體的生長(zhǎng)速度。然而，過高的生長(zhǎng)溫度也會(huì)帶來一些負(fù)面影響。當(dāng)生長(zhǎng)溫度過高時(shí)，溶液中原子的熱運(yùn)動(dòng)過于劇烈，可能導(dǎo)致原子在晶體生長(zhǎng)過程中的排列不規(guī)則，從而引入更多的缺陷，降低晶體質(zhì)量。高溫還可能導(dǎo)致材料中的雜質(zhì)擴(kuò)散加劇，影響材料的電學(xué)性能。生長(zhǎng)溫度對(duì)InAs基材料的晶格結(jié)構(gòu)也有重要影響。晶格結(jié)構(gòu)的完整性對(duì)于材料的電學(xué)和光學(xué)性能至關(guān)重要。在LPE生長(zhǎng)過程中，合適的生長(zhǎng)溫度有助于形成完整的晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)生長(zhǎng)溫度較低時(shí)，原子的遷移能力較弱，可能導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)過程中原子排列不緊密，晶格結(jié)構(gòu)存在缺陷。隨著生長(zhǎng)溫度的升高，原子的遷移能力增強(qiáng)，能夠更好地填充晶格位置，使晶格結(jié)構(gòu)更加完整。當(dāng)生長(zhǎng)溫度為520℃時(shí)，通過高分辨率X射線衍射（HRXRD）分析發(fā)現(xiàn)，InAs基材料的晶格結(jié)構(gòu)較為完整，晶格常數(shù)與理論值接近。然而，當(dāng)生長(zhǎng)溫度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變。過高的溫度會(huì)使材料內(nèi)部的熱應(yīng)力增大，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的承受能力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致晶格發(fā)生畸變，影響材料的性能。通過實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生長(zhǎng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，InAs基材料的晶格常數(shù)發(fā)生了明顯的變化，晶格畸變程度增加。晶體質(zhì)量是衡量InAs基材料性能的重要指標(biāo)，生長(zhǎng)溫度對(duì)晶體質(zhì)量有著直接的影響。晶體質(zhì)量主要包括晶體的完整性、缺陷密度等方面。合適的生長(zhǎng)溫度能夠獲得高質(zhì)量的晶體。通過原子力顯微鏡（AFM）觀察發(fā)現(xiàn)，在530℃生長(zhǎng)的InAs基材料表面平整度較高，缺陷密度較低，晶體質(zhì)量較好。這是因?yàn)樵谶@個(gè)溫度下，原子的擴(kuò)散和結(jié)晶過程較為平衡，能夠形成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)。而當(dāng)生長(zhǎng)溫度過高或過低時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致晶體質(zhì)量下降。溫度過低時(shí)，原子的遷移能力不足，容易形成較多的位錯(cuò)和缺陷；溫度過高時(shí)，熱應(yīng)力和雜質(zhì)擴(kuò)散等問題會(huì)導(dǎo)致晶體質(zhì)量變差。通過光致發(fā)光（PL）光譜分析也可以發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)溫度合適時(shí)，InAs基材料的PL峰強(qiáng)度較高，半高寬較窄，表明晶體質(zhì)量較好；而生長(zhǎng)溫度不合適時(shí)，PL峰強(qiáng)度降低，半高寬增大，說明晶體質(zhì)量下降。綜上所述，生長(zhǎng)溫度在LPE生長(zhǎng)InAs基材料過程中起著至關(guān)重要的作用。合適的生長(zhǎng)溫度能夠保證材料具有適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)速率、完整的晶格結(jié)構(gòu)和良好的晶體質(zhì)量。在實(shí)際生長(zhǎng)過程中，需要根據(jù)材料的特性和應(yīng)用需求，精確控制生長(zhǎng)溫度，以獲得高質(zhì)量的InAs基材料，為制備高性能的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器提供保障。3.3.2液相組分液相組分是LPE生長(zhǎng)InAs基材料過程中的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)材料的化學(xué)成分、晶格常數(shù)匹配度和電學(xué)性能有著重要的影響。在化學(xué)成分方面，液相中各元素的比例直接決定了生長(zhǎng)出的InAs基材料的化學(xué)成分。以生長(zhǎng)InAsSbP材料為例，液相中In、As、Sb、P的比例不同，生長(zhǎng)出的InAsSbP材料中各元素的含量也會(huì)不同。通過調(diào)整液相中In、As、Sb、P的比例，可以精確控制InAsSbP材料的化學(xué)成分，以滿足不同的應(yīng)用需求。研究表明，當(dāng)液相中In、As、Sb、P的摩爾比為1：1：0.5：0.3時(shí)，生長(zhǎng)出的InAsSbP材料中Sb的含量約為25%，P的含量約為15%。這種精確的化學(xué)成分控制對(duì)于InAs基材料的性能調(diào)控至關(guān)重要，因?yàn)椴煌幕瘜W(xué)成分會(huì)導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)、光學(xué)吸收特性等發(fā)生變化，從而影響探測(cè)器的性能。晶格常數(shù)匹配度是影響InAs基材料質(zhì)量和性能的重要因素之一，而液相組分對(duì)晶格常數(shù)匹配度有著顯著的影響。InAs基材料通常生長(zhǎng)在InAs襯底上，為了獲得高質(zhì)量的外延層，需要使外延層與襯底之間的晶格常數(shù)盡可能匹配。通過調(diào)整液相組分，可以改變生長(zhǎng)出的InAs基材料的晶格常數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)與襯底的良好匹配。InAs的晶格常數(shù)為a=6.0584?，當(dāng)生長(zhǎng)InAsSbP材料時(shí)，通過調(diào)整液相中Sb和P的含量，可以使InAsSbP材料的晶格常數(shù)接近InAs襯底的晶格常數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)液相中Sb和P的含量調(diào)整到一定比例時(shí)，InAsSbP材料與InAs襯底之間的晶格失配度可以降低到0.1%以內(nèi)，從而獲得高質(zhì)量的外延層。良好的晶格常數(shù)匹配度可以減少材料中的晶格缺陷和應(yīng)力，提高材料的晶體質(zhì)量和穩(wěn)定性，進(jìn)而提升探測(cè)器的性能。如果晶格失配度過大，會(huì)導(dǎo)致材料中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)和缺陷，這些缺陷會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，增加探測(cè)器的暗電流，降低探測(cè)率。液相組分還會(huì)對(duì)InAs基材料的電學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。材料的電學(xué)性能主要包括載流子濃度、遷移率等參數(shù)，這些參數(shù)直接關(guān)系到探測(cè)器的響應(yīng)速度和探測(cè)靈敏度。不同的液相組分生長(zhǎng)出的InAs基材料，其電學(xué)性能會(huì)有所不同。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液相中含有適量的雜質(zhì)元素時(shí)，生長(zhǎng)出的InAs基材料的載流子濃度會(huì)發(fā)生變化。在液相中加入適量的Te元素，可以使InAs基材料中的電子濃度增加，從而改變材料的電學(xué)性能。載流子遷移率也會(huì)受到液相組分的影響。當(dāng)液相中各元素的比例合適時(shí)，生長(zhǎng)出的InAs基材料的晶體結(jié)構(gòu)較為完整，缺陷較少，載流子在材料中的遷移受到的散射較小，遷移率較高。反之，如果液相組分不合適，導(dǎo)致材料中存在較多的缺陷和雜質(zhì)，載流子遷移率就會(huì)降低。通過霍爾效應(yīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液相組分優(yōu)化后，InAs基材料的電子遷移率可以提高20%左右，這對(duì)于提高探測(cè)器的響應(yīng)速度和探測(cè)靈敏度具有重要意義。綜上所述，液相組分在LPE生長(zhǎng)InAs基材料過程中起著關(guān)鍵作用。通過精確控制液相組分，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)InAs基材料化學(xué)成分、晶格常數(shù)匹配度和電學(xué)性能的有效調(diào)控，從而獲得高質(zhì)量的InAs基材料，為制備高性能的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在實(shí)際生長(zhǎng)過程中，需要深入研究液相組分與材料性能之間的關(guān)系，優(yōu)化液相組分，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的要求。3.3.3降溫速率降溫速率是LPE生長(zhǎng)InAs基材料過程中的一個(gè)重要參數(shù)，它與材料的結(jié)晶完整性、缺陷密度之間存在著密切的關(guān)系。結(jié)晶完整性是衡量材料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，降溫速率對(duì)其有著顯著的影響。在LPE生長(zhǎng)過程中，降溫速率決定了溶液的過飽和度變化，而過飽和度是晶體生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)降溫速率較慢時(shí)，溶液的過飽和度逐漸增加，溶質(zhì)有足夠的時(shí)間在襯底表面均勻地結(jié)晶，從而有利于形成完整的晶體結(jié)構(gòu)。在降溫速率為0.5℃/min的條件下生長(zhǎng)InAs基材料時(shí)，通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現(xiàn)，材料的晶體結(jié)構(gòu)較為完整，晶粒大小均勻，晶界清晰。這是因?yàn)榫徛慕禍厮俾适沟迷佑谐渥愕臅r(shí)間在襯底表面遷移和排列，形成規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。相反，當(dāng)降溫速率過快時(shí)，溶液會(huì)迅速達(dá)到過飽和狀態(tài)，溶質(zhì)來不及在襯底表面均勻結(jié)晶，容易形成大量的晶核，導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)不均勻，結(jié)晶完整性下降。在降溫速率為2℃/min的條件下生長(zhǎng)InAs基材料時(shí)，SEM圖像顯示材料中存在較多的小晶粒和晶界缺陷，晶體結(jié)構(gòu)不完整?？焖俳禍貙?dǎo)致的過飽和度急劇增加，使得原子在襯底表面的沉積速度過快，無法形成有序的晶體結(jié)構(gòu)，從而影響了材料的結(jié)晶完整性。缺陷密度是影響InAs基材料性能的關(guān)鍵因素之一，降溫速率對(duì)缺陷密度的影響也十分明顯。合適的降溫速率能夠有效降低材料中的缺陷密度。當(dāng)降溫速率適中時(shí)，晶體生長(zhǎng)過程中的原子排列較為有序，能夠減少缺陷的產(chǎn)生。通過透射電子顯微鏡（TEM）分析發(fā)現(xiàn)，在降溫速率為1℃/min時(shí)生長(zhǎng)的InAs基材料，其位錯(cuò)密度較低，缺陷較少。這是因?yàn)檫m中的降溫速率使得晶體生長(zhǎng)過程中的熱應(yīng)力和原子擴(kuò)散等因素得到較好的平衡，從而減少了缺陷的形成。然而，當(dāng)降溫速率過快或過慢時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致缺陷密度增加。降溫速率過快，如達(dá)到3℃/min時(shí)，由于晶體生長(zhǎng)速度過快，原子來不及在晶格中正確排列，容易引入大量的位錯(cuò)和空位等缺陷，TEM圖像顯示材料中存在大量的位錯(cuò)線和缺陷團(tuán)。降溫速率過慢，如0.1℃/min時(shí)，雖然晶體生長(zhǎng)較為緩慢，原子有足夠的時(shí)間排列，但長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)過程可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)在材料中的積累，從而增加缺陷密度。為了更直觀地展示降溫速率與材料結(jié)晶完整性、缺陷密度之間的關(guān)系，圖1給出了不同降溫速率下InAs基材料的XRD搖擺曲線半高寬（FWHM）和缺陷密度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。XRD搖擺曲線半高寬可以反映材料的結(jié)晶完整性，半高寬越小，說明材料的結(jié)晶完整性越好。從圖中可以看出，隨著降溫速率的增加，XRD搖擺曲線半高寬先減小后增大，在降溫速率為1℃/min時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)材料的結(jié)晶完整性最好。同時(shí)，缺陷密度也呈現(xiàn)出類似的變化趨勢(shì)，在降溫速率為1℃/min時(shí)，缺陷密度最低。當(dāng)降溫速率低于或高于1℃/min時(shí)，XRD搖擺曲線半高寬增大，缺陷密度增加，表明材料的結(jié)晶完整性下降，缺陷增多。綜上所述，降溫速率在LPE生長(zhǎng)InAs基材料過程中對(duì)材料的結(jié)晶完整性和缺陷密度有著重要影響。在實(shí)際生長(zhǎng)過程中，需要根據(jù)材料的特性和應(yīng)用需求，精確控制降溫速率，以獲得結(jié)晶完整性好、缺陷密度低的InAs基材料，為制備高性能的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器提供優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。通過優(yōu)化降溫速率，可以有效提高材料質(zhì)量，進(jìn)而提升探測(cè)器的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)探測(cè)器性能的嚴(yán)格要求。四、InAs基室溫中波紅外探測(cè)器器件制備4.1器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的性能與器件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效提高探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換效率、降低暗電流以及提升探測(cè)靈敏度。目前，典型的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)主要包括p-n結(jié)結(jié)構(gòu)和pin結(jié)構(gòu)，它們各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。p-n結(jié)結(jié)構(gòu)是一種較為基礎(chǔ)且常用的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，p型InAs材料和n型InAs材料緊密結(jié)合形成p-n結(jié)。p型InAs材料中存在大量的空穴作為多數(shù)載流子，而n型InAs材料中則以電子作為多數(shù)載流子。在p-n結(jié)界面處，由于載流子濃度的差異，會(huì)形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，其方向從n區(qū)指向p區(qū)。當(dāng)波長(zhǎng)在3-5μm的中波紅外光入射到p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器時(shí)，光子能量被吸收層（通常為InAs材料）吸收，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子和空穴會(huì)分別向n區(qū)和p區(qū)漂移，從而形成光生電流。p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，制備工藝相對(duì)容易掌握，成本較低。然而，這種結(jié)構(gòu)也存在一定的局限性，由于p-n結(jié)的耗盡層寬度有限，對(duì)光生載流子的收集效率有一定限制，且在室溫下，暗電流相對(duì)較大，這會(huì)影響探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和信噪比。為了克服p-n結(jié)結(jié)構(gòu)的不足，pin結(jié)構(gòu)的InAs基室溫中波紅外探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。pin結(jié)構(gòu)在p-n結(jié)的基礎(chǔ)上，在p型和n型半導(dǎo)體之間引入了一層本征（i）層，通常為未摻雜的InAs材料。本征層的引入顯著增加了耗盡層的寬度，這使得探測(cè)器對(duì)光生載流子的收集效率大幅提高。當(dāng)紅外光入射到pin結(jié)構(gòu)探測(cè)器時(shí)，在本征層中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)能夠更有效地被內(nèi)建電場(chǎng)分離并收集，從而提高了探測(cè)器的響應(yīng)率和探測(cè)率。本征層的存在還可以降低器件的暗電流。由于本征層中載流子濃度極低，減少了熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)量，從而降低了暗電流。這對(duì)于提高探測(cè)器在室溫下的性能尤為重要，能夠有效提高探測(cè)器的信噪比，提升探測(cè)器對(duì)微弱紅外信號(hào)的探測(cè)能力。pin結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上還可以通過調(diào)整各層的厚度和材料特性來進(jìn)一步優(yōu)化性能。增加本征層的厚度可以提高對(duì)光生載流子的收集效率，但也會(huì)增加載流子的復(fù)合幾率和器件的電容，從而影響探測(cè)器的響應(yīng)速度。因此，需要在收集效率、響應(yīng)速度和暗電流之間進(jìn)行綜合權(quán)衡，選擇合適的本征層厚度。除了上述兩種基本結(jié)構(gòu)外，InAs基室溫中波紅外探測(cè)器還可以采用一些更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在一些高性能的探測(cè)器中，可以引入勢(shì)壘層來進(jìn)一步抑制暗電流。勢(shì)壘層通常采用與InAs晶格匹配良好的材料，如InAsSbP、AlAsSb等。這些勢(shì)壘層可以阻擋熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子，從而降低暗電流。在InAs基探測(cè)器中，在吸收層兩側(cè)引入InAsSbP勢(shì)壘層，能夠有效地抑制暗電流，提高探測(cè)器的性能。還可以通過設(shè)計(jì)多量子阱結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)探測(cè)器對(duì)紅外光的吸收能力。多量子阱結(jié)構(gòu)由多個(gè)交替的InAs和InAsSbP量子阱組成，通過量子限制效應(yīng)，能夠增強(qiáng)對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光的吸收，提高探測(cè)器的量子效率和探測(cè)靈敏度。不同的器件結(jié)構(gòu)在InAs基室溫中波紅外探測(cè)器中都發(fā)揮著重要作用，每種結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求，綜合考慮各種因素，選擇合適的器件結(jié)構(gòu)，并通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)和制備工藝，來實(shí)現(xiàn)探測(cè)器性能的最大化。4.2制備工藝流程InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的制備是一個(gè)復(fù)雜且精細(xì)的過程，涉及多個(gè)關(guān)鍵步驟，每個(gè)步驟都對(duì)探測(cè)器的最終性能有著重要影響，具體工藝流程如下：LPE生長(zhǎng)外延層：采用LPE生長(zhǎng)技術(shù)在經(jīng)過嚴(yán)格預(yù)處理的InAs襯底上生長(zhǎng)外延層。如前文所述，襯底預(yù)處理包括依次在丙酮、異丙醇和去離子水中超聲清洗，然后用H_2O_2和HNO_3混合溶液蝕刻，最后氮?dú)獯蹈?。生長(zhǎng)熔體的前驅(qū)體為未摻雜的多晶InAs、InP，以及7N純度的銦（In）和銻（Sb），這些源材料在使用前需在650℃、凈化氫氣氣流中烘烤2.5小時(shí)。生長(zhǎng)在傳統(tǒng)水平滑動(dòng)石墨舟中進(jìn)行，利用過冷技術(shù)在550℃開始生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過程中，精確控制生長(zhǎng)溫度、液相組分和降溫速率等參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的InAs基外延層。生長(zhǎng)溫度的波動(dòng)需控制在±1℃以內(nèi)，以確保材料生長(zhǎng)速率和晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；液相組分的比例需精確調(diào)配，誤差控制在±0.5%以內(nèi)，以保證材料的化學(xué)成分和晶格常數(shù)匹配度；降溫速率一般控制在0.5-1℃/分鐘，以獲得結(jié)晶完整性好、缺陷密度低的材料。如果生長(zhǎng)參數(shù)控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)晶質(zhì)量下降，引入缺陷，影響探測(cè)器的性能。光刻工藝：光刻是定義探測(cè)器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟。使用光刻膠（如AZ5214光刻膠）在生長(zhǎng)好的外延層上進(jìn)行涂覆，通過勻膠機(jī)將光刻膠均勻地涂覆在外延層表面，勻膠轉(zhuǎn)速控制在3000-4000轉(zhuǎn)/分鐘，以確保光刻膠厚度均勻，一般厚度控制在1-2μm。涂膠后，將樣品放入烘箱中進(jìn)行前烘，前烘溫度為90-100℃，時(shí)間為1-2分鐘，使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，增強(qiáng)光刻膠與外延層的附著力。隨后，使用光刻掩膜版和光刻機(jī)進(jìn)行曝光，曝光時(shí)間根據(jù)光刻設(shè)備的功率和光刻膠的感光特性進(jìn)行調(diào)整，一般在10-20秒之間。曝光過程中，需確保光刻掩膜版與樣品之間的對(duì)準(zhǔn)精度在±0.5μm以內(nèi)，以保證光刻圖形的準(zhǔn)確性。曝光后，進(jìn)行顯影處理，使用顯影液（如AZ400K顯影液）將曝光部分的光刻膠溶解去除，顯影時(shí)間控制在30-60秒，以獲得清晰的光刻圖形。光刻過程中的任何偏差都可能導(dǎo)致探測(cè)器結(jié)構(gòu)尺寸不準(zhǔn)確，影響探測(cè)器的性能。刻蝕工藝：光刻完成后，采用濕法刻蝕工藝去除不需要的外延層材料，以形成探測(cè)器的臺(tái)面結(jié)構(gòu)。在刻蝕前，需對(duì)刻蝕液的成分和濃度進(jìn)行精確調(diào)配。對(duì)于InAs基材料，常用的刻蝕液為H_2SO_4、H_2O_2和H_2O的混合溶液，其體積比一般為1：1：50?？涛g過程中，嚴(yán)格控制刻蝕時(shí)間和溫度，刻蝕時(shí)間一般在3-5分鐘，溫度控制在20-25℃。如果刻蝕時(shí)間過長(zhǎng)或溫度過高，可能會(huì)導(dǎo)致刻蝕過度，破壞探測(cè)器的結(jié)構(gòu)；如果刻蝕時(shí)間過短或溫度過低，可能會(huì)導(dǎo)致刻蝕不完全，影響探測(cè)器的性能?？涛g停止在p型InAsSbP阻擋層，以確保探測(cè)器的結(jié)構(gòu)完整性和電學(xué)性能。在刻蝕過程中，還需注意刻蝕的均勻性，可通過攪拌刻蝕液或采用旋轉(zhuǎn)刻蝕的方式來提高刻蝕均勻性，刻蝕均勻性需控制在±5%以內(nèi)。電極制備：在完成刻蝕的樣品上制備電極，采用電子束蒸發(fā)技術(shù)在p型摻雜的InAsSbP阻擋層上和n型摻雜InAsSbP窗口層上蒸鍍Ti/Au電極。在蒸鍍前，需對(duì)蒸發(fā)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的真空處理，真空度需達(dá)到10^{-5}-10^{-6}Pa，以避免雜質(zhì)污染電極。蒸鍍過程中，精確控制蒸發(fā)速率和蒸發(fā)厚度，Ti的蒸發(fā)速率一般控制在0.1-0.2?/s，蒸發(fā)厚度為50-100?；Au的蒸發(fā)速率控制在0.5-1?/s，蒸發(fā)厚度為500-1000?。如果蒸發(fā)速率過快或厚度不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致電極與外延層之間的接觸不良，增加接觸電阻，影響探測(cè)器的電學(xué)性能。蒸鍍完成后，通過光刻和刻蝕工藝對(duì)電極進(jìn)行圖形化處理，以獲得所需的電極形狀和尺寸，電極圖形的精度需控制在±0.5μm以內(nèi)。鈍化處理：為了提高探測(cè)器的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)制備好的探測(cè)器進(jìn)行鈍化處理。采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在探測(cè)器表面沉積一層鈍化膜，如二氧化硅（SiO_2）或氮化硅（Si_3N_4）。在沉積過程中，控制沉積溫度、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)。以沉積二氧化硅鈍化膜為例，沉積溫度一般在300-400℃，硅烷（SiH_4）和氧氣（O_2）的氣體流量分別控制在50-100sccm和200-300sccm，沉積時(shí)間為1-2小時(shí)。合適的鈍化膜可以有效減少表面態(tài)對(duì)探測(cè)器性能的影響，降低表面漏電流，提高探測(cè)器的穩(wěn)定性和可靠性。如果鈍化膜質(zhì)量不佳，可能會(huì)導(dǎo)致表面漏電流增加，探測(cè)器性能下降。封裝：最后，將制備好的探測(cè)器進(jìn)行封裝，以保護(hù)探測(cè)器免受外界環(huán)境的影響。封裝材料一般選用具有良好光學(xué)性能和熱性能的材料，如陶瓷或金屬封裝。在封裝過程中，確保探測(cè)器與封裝外殼之間的電氣連接良好，連接電阻需控制在1Ω以下。封裝還需保證探測(cè)器的光學(xué)窗口清潔，無雜質(zhì)和氣泡，以確保紅外光能夠順利入射到探測(cè)器上。封裝后的探測(cè)器需進(jìn)行嚴(yán)格的性能測(cè)試，包括暗電流測(cè)試、響應(yīng)率測(cè)試、探測(cè)率測(cè)試等，以確保探測(cè)器的性能符合要求。4.3制備過程中的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)光刻精度控制是InAs基室溫中波紅外探測(cè)器制備過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)探測(cè)器的性能有著重要影響。在光刻過程中，光刻精度直接決定了探測(cè)器的結(jié)構(gòu)尺寸和圖形質(zhì)量。對(duì)于InAs基室溫中波紅外探測(cè)器，其結(jié)構(gòu)尺寸通常在微米甚至納米量級(jí)，微小的光刻偏差都可能導(dǎo)致探測(cè)器性能的下降。在制備探測(cè)器的電極結(jié)構(gòu)時(shí)，電極的尺寸和間距對(duì)探測(cè)器的電學(xué)性能至關(guān)重要。如果光刻精度不足，電極尺寸可能會(huì)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致電極與外延層之間的接觸面積發(fā)生變化，進(jìn)而影響探測(cè)器的接觸電阻和暗電流。當(dāng)電極尺寸偏差較大時(shí)，接觸電阻會(huì)顯著增加，這會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器在工作過程中產(chǎn)生更多的熱噪聲，降低探測(cè)器的信噪比，影響探測(cè)器對(duì)微弱紅外信號(hào)的探測(cè)能力。光刻精度還會(huì)影響探測(cè)器的響應(yīng)速度。如果光刻偏差導(dǎo)致探測(cè)器的有源區(qū)尺寸不準(zhǔn)確，會(huì)改變探測(cè)器的電容和電阻特性，從而影響探測(cè)器對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)速度。為了提高光刻精度，需要采用先進(jìn)的光刻設(shè)備和技術(shù)。目前，深紫外光刻（DUV）和極紫外光刻（EUV）技術(shù)在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。DUV光刻技術(shù)的分辨率可以達(dá)到幾十納米，能夠滿足大多數(shù)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的光刻精度要求。在使用DUV光刻技術(shù)時(shí)，需要精確控制光刻設(shè)備的曝光劑量、焦距和對(duì)準(zhǔn)精度等參數(shù)。通過優(yōu)化曝光劑量，可以確保光刻膠在曝光過程中得到均勻的曝光，避免出現(xiàn)曝光過度或曝光不足的情況，從而保證光刻圖形的質(zhì)量。精確控制焦距可以使光刻圖形在襯底上得到清晰的成像，減少圖形的畸變和模糊。在對(duì)準(zhǔn)精度方面，需要采用高精度的對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，確保光刻掩膜版與襯底之間的對(duì)準(zhǔn)誤差控制在極小的范圍內(nèi)，一般要求對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到±50nm以內(nèi)。還可以采用一些輔助技術(shù)來提高光刻精度，如光學(xué)鄰近效應(yīng)修正（OPC）技術(shù)。OPC技術(shù)通過對(duì)光刻掩膜版的圖形進(jìn)行修正，補(bǔ)償光刻過程中的光學(xué)鄰近效應(yīng)，從而提高光刻圖形的精度和質(zhì)量。刻蝕均勻性是探測(cè)器制備過程中另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)探測(cè)器的性能同樣有著重要影響。在刻蝕過程中，刻蝕均勻性直接關(guān)系到探測(cè)器臺(tái)面結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能。如果刻蝕不均勻，會(huì)導(dǎo)致臺(tái)面結(jié)構(gòu)的厚度不一致，影響探測(cè)器的電學(xué)性能和光學(xué)性能。在制備探測(cè)器的臺(tái)面結(jié)構(gòu)時(shí)，刻蝕不均勻會(huì)使臺(tái)面的某些區(qū)域刻蝕過度，而某些區(qū)域刻蝕不足?？涛g過度的區(qū)域可能會(huì)導(dǎo)致外延層被過度去除，破壞探測(cè)器的結(jié)構(gòu)完整性，增加探測(cè)器的暗電流；刻蝕不足的區(qū)域則可能會(huì)殘留多余的外延層材料，影響探測(cè)器的光吸收和載流子收集效率，降低探測(cè)器的響應(yīng)率和探測(cè)率。為了實(shí)現(xiàn)刻蝕均勻性，需要優(yōu)化刻蝕工藝參數(shù)和設(shè)備。在刻蝕工藝參數(shù)方面，需要精確控制刻蝕液的濃度、溫度、刻蝕時(shí)間和刻蝕速率等。不同的刻蝕液對(duì)InAs基材料的刻蝕速率和選擇性不同，需要根據(jù)材料的特性和探測(cè)器的結(jié)構(gòu)要求選擇合適的刻蝕液。在使用H_2SO_4、H_2O_2和H_2O的混合溶液刻蝕InAs基材料時(shí)，需要精確控制各成分的比例，以確?？涛g速率和選擇性的平衡?？涛g溫度和時(shí)間也需要嚴(yán)格控制，溫度過高或時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致刻蝕過度，溫度過低或時(shí)間過短則會(huì)導(dǎo)致刻蝕不足。一般來說，刻蝕溫度控制在20-25℃，刻蝕時(shí)間根據(jù)具體的刻蝕要求在3-5分鐘之間進(jìn)行調(diào)整。在刻蝕設(shè)備方面，可以采用旋轉(zhuǎn)刻蝕或噴淋刻蝕等技術(shù)來提高刻蝕均勻性。旋轉(zhuǎn)刻蝕通過使樣品在刻蝕液中旋轉(zhuǎn)，使刻蝕液均勻地作用于樣品表面，減少刻蝕不均勻性。噴淋刻蝕則通過將刻蝕液噴淋到樣品表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的均勻刻蝕。還可以在刻蝕過程中采用攪拌或超聲等輔助手段，促進(jìn)刻蝕液的均勻分布，提高刻蝕均勻性。電極歐姆接觸形成是探測(cè)器制備過程中的又一關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)探測(cè)器的電學(xué)性能起著決定性作用。歐姆接觸是指金屬與半導(dǎo)體之間形成的一種低電阻、無整流特性的接觸。在InAs基室溫中波紅外探測(cè)器中，良好的歐姆接觸能夠確保電極與外延層之間的載流子順利傳輸，降低接觸電阻，提高探測(cè)器的電學(xué)性能。如果歐姆接觸不良，會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增大，這會(huì)使探測(cè)器在工作過程中產(chǎn)生較大的電壓降，消耗更多的能量，同時(shí)也會(huì)增加探測(cè)器的噪聲，降低探測(cè)器的探測(cè)靈敏度和信噪比。為了形成良好的歐姆接觸，需要選擇合適的金屬材料和優(yōu)化制備工藝。在金屬材料選擇方面，常用的金屬有Ti、Au等。Ti具有良好的粘附性，能夠與InAs基材料形成牢固的結(jié)合；Au則具有良好的導(dǎo)電性，能夠降低接觸電阻。因此，通常采用Ti/Au雙層金屬結(jié)構(gòu)來制備電極。在制備工藝方面，需要精確控制金屬的蒸發(fā)速率、厚度和退火條件等。在電子束蒸發(fā)Ti/Au電極時(shí)，需要精確控制Ti和Au的蒸發(fā)速率和厚度。Ti的蒸發(fā)速率一般控制在0.1-0.2?/s，蒸發(fā)厚度為50-100?；Au的蒸發(fā)速率控制在0.5-1?/s，蒸發(fā)厚度為500-1000?。蒸發(fā)完成后，還需要進(jìn)行退火處理，退火溫度一般在300-400℃之間，退火時(shí)間為1-2小時(shí)。退火處理可以使金屬與半導(dǎo)體之間形成良好的歐姆接觸，降低接觸電阻。退火過程中，金屬原子會(huì)與半導(dǎo)體原子發(fā)生相互擴(kuò)散，形成一個(gè)低電阻的過渡層，從而實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。五、器件性能表征與分析5.1性能表征方法與設(shè)備為了全面、準(zhǔn)確地評(píng)估InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的性能，本研究采用了一系列先進(jìn)的表征方法和設(shè)備，這些方法和設(shè)備從不同角度對(duì)探測(cè)器的材料結(jié)構(gòu)、電學(xué)性能和光電性能進(jìn)行了深入分析。X射線衍射儀（XRD）是用于分析InAs基材料晶體結(jié)構(gòu)的重要設(shè)備，其原理基于X射線與晶體的相互作用。當(dāng)X射線照射到晶體上時(shí)，晶體中的原子會(huì)對(duì)X射線產(chǎn)生散射，由于晶體中原子的規(guī)則排列，這些散射波會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。在特定的角度上，散射波會(huì)相互加強(qiáng)，形成衍射峰。通過測(cè)量這些衍射峰的位置、強(qiáng)度和寬度等信息，可以獲得晶體的晶格常數(shù)、晶體取向、結(jié)晶質(zhì)量等重要信息。在本研究中，使用德國(guó)布魯克公司的D8AdvanceXRD儀對(duì)InAs基材料進(jìn)行測(cè)試。將生長(zhǎng)好的InAs基材料樣品放置在樣品臺(tái)上，采用CuKα輻射源，其波長(zhǎng)為0.15406nm，在2θ角度范圍為10°-80°內(nèi)進(jìn)行掃描，掃描步長(zhǎng)為0.02°。通過XRD分析，可以確定InAs基材料的晶體結(jié)構(gòu)是否完整，晶格常數(shù)是否與理論值相符，以及材料中是否存在晶格畸變等問題。如果材料的XRD衍射峰尖銳且強(qiáng)度高，半高寬較窄，說明晶體的結(jié)晶質(zhì)量較好，晶格結(jié)構(gòu)較為完整；反之，如果衍射峰寬化、強(qiáng)度降低或出現(xiàn)雜峰，則可能表示晶體中存在缺陷、雜質(zhì)或晶格畸變等問題，這些問題會(huì)對(duì)探測(cè)器的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。掃描電子顯微鏡（SEM）主要用于觀察InAs基材料和探測(cè)器的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，其工作原理是利用高能電子束與樣品表面相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子等信號(hào)。二次電子主要來自樣品表面淺層，對(duì)樣品表面的形貌非常敏感，能夠提供高分辨率的表面圖像；背散射電子則與樣品中原子的原子序數(shù)有關(guān)，可以用于分析樣品的成分分布。在本研究中，采用日本日立公司的SU8010場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀察。將樣品固定在樣品臺(tái)上，放入SEM的真空腔室中，通過調(diào)節(jié)電子束的加速電壓、束流等參數(shù)，獲取不同放大倍數(shù)下的樣品表面圖像。通過SEM觀察，可以直觀地了解InAs基材料的表面平整度、晶粒大小和形狀、缺陷分布等情況。在觀察InAs基探測(cè)器的臺(tái)面結(jié)構(gòu)時(shí)，SEM可以清晰地顯示出臺(tái)面的邊緣是否整齊，刻蝕是否均勻，以及電極與外延層之間的接觸情況等，這些信息對(duì)于評(píng)估探測(cè)器的制備工藝和性能具有重要意義。I-V測(cè)試探針臺(tái)是測(cè)量探測(cè)器電流-電壓特性的關(guān)鍵設(shè)備，其原理是通過探針與探測(cè)器的電極接觸，施加不同的電壓，測(cè)量相應(yīng)的電流，從而得到探測(cè)器的I-V曲線。I-V曲線能夠反映探測(cè)器的電學(xué)性能，如暗電流、擊穿電壓、串聯(lián)電阻等。在本研究中，使用美國(guó)Cascade公司的M150型探針臺(tái)，搭配Keithley2400源表進(jìn)行I-V測(cè)試。將制備好的探測(cè)器樣品放置在探針臺(tái)上，通過顯微鏡觀察，將探針準(zhǔn)確地接觸到探測(cè)器的p型和n型電極上。在測(cè)試過程中，從負(fù)偏壓到正偏壓逐步掃描電壓，記錄每個(gè)電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流值。通過分析I-V曲線，可以了解探測(cè)器的暗電流大小及其隨偏壓的變化情況。如果暗電流過大，會(huì)增加探測(cè)器的噪聲，降低探測(cè)靈敏度，因此需要通過優(yōu)化材料生長(zhǎng)和器件制備工藝來降低暗電流。I-V曲線還可以反映探測(cè)器的擊穿特性，擊穿電壓過低會(huì)影響探測(cè)器的可靠性和穩(wěn)定性，因此需要確保探測(cè)器具有足夠高的擊穿電壓。傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）用于測(cè)量探測(cè)器的響應(yīng)光譜，其原理是基于光的干涉和傅里葉變換。光源發(fā)出的光經(jīng)過干涉儀后，形成干涉光，干涉光照射到樣品上，被樣品吸收或反射，然后通過探測(cè)器檢測(cè)干涉光的強(qiáng)度變化。通過傅里葉變換，可以將干涉光的強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換為光譜信息，得到探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)紅外光的響應(yīng)情況。在本研究中，采用美國(guó)尼高力公司的NicoletiS50傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試。將探測(cè)器放置在樣品池中，在3-5μm的中波紅外波段范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，掃描分辨率為4cm^{-1}。通過FTIR測(cè)量，可以確定探測(cè)器的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)、響應(yīng)帶寬以及響應(yīng)率隨波長(zhǎng)的變化情況。響應(yīng)峰值波長(zhǎng)應(yīng)與中波紅外波段的目標(biāo)波長(zhǎng)相匹配，以確保探測(cè)器能夠有效地探測(cè)到目標(biāo)紅外信號(hào)；響應(yīng)帶寬則反映了探測(cè)器能夠響應(yīng)的紅外光波長(zhǎng)范圍，較寬的響應(yīng)帶寬可以使探測(cè)器對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光都有較好的響應(yīng)能力；響應(yīng)率隨波長(zhǎng)的變化情況則可以幫助分析探測(cè)器的光譜選擇性和均勻性。5.2器件性能參數(shù)分析5.2.1暗電流特性暗電流是衡量InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，其產(chǎn)生機(jī)制較為復(fù)雜，主要包括熱激發(fā)、表面漏電流以及隧道電流等，這些機(jī)制與晶格失配、材料缺陷等因素密切相關(guān)。熱激發(fā)是暗電流產(chǎn)生的重要原因之一。在室溫下，InAs基材料中的電子會(huì)因熱運(yùn)動(dòng)而獲得足夠的能量，從而躍遷到導(dǎo)帶，形成熱激發(fā)電流。材料的禁帶寬度和溫度對(duì)熱激發(fā)電流有著顯著的影響。InAs基材料的禁帶寬度相對(duì)較窄，在室溫下，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)量較多，導(dǎo)致熱激發(fā)電流較大。隨著溫度的升高，電子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，熱激發(fā)電流也會(huì)隨之增大。根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱激發(fā)理論，熱激發(fā)電流密度J_{th}與溫度T和禁帶寬度E_g的關(guān)系可以用以下公式表示：J_{th}=A\cdotT^{3/2}\cdotexp(-\frac{E_g}{2kT})其中，A是與材料相關(guān)的常數(shù)，k是玻爾茲曼常數(shù)。從公式中可以看出，溫度升高會(huì)使指數(shù)項(xiàng)中的分母減小，從而導(dǎo)致熱激發(fā)電流密度迅速增大；禁帶寬度越窄，指數(shù)項(xiàng)中的分子越小，熱激發(fā)電流密度也會(huì)越大。表面漏電流也是暗電流的重要組成部分。探測(cè)器表面存在的缺陷、雜質(zhì)以及表面態(tài)等因素會(huì)導(dǎo)致表面漏電流的產(chǎn)生。在InAs基探測(cè)器的制備過程中，由于光刻、刻蝕等工藝步驟，探測(cè)器表面可能會(huì)引入雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會(huì)在表面形成額外的載流子傳輸通道，從而增加表面漏電流。表面態(tài)也會(huì)影響表面漏電流的大小。表面態(tài)是指在半導(dǎo)體表面存在的一些能量狀態(tài)，這些狀態(tài)可以捕獲和釋放載流子，導(dǎo)致表面載流子濃度的變化，進(jìn)而影響表面漏電流。通過對(duì)探測(cè)器表面進(jìn)行鈍化處理，可以有效減少表面態(tài)的數(shù)量，降低表面漏電流。采用化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)在探測(cè)器表面沉積一層二氧化硅（SiO_2）或氮化硅（Si_3N_4）鈍化膜，能夠顯著降低表面漏電流，提高探測(cè)器的性能。隧道電流是在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的。當(dāng)探測(cè)器兩端施加一定的偏壓時(shí)，在耗盡層內(nèi)會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)。在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，電子有可能通過量子隧道效應(yīng)穿過勢(shì)壘，從而形成隧道電流。隧道電流的大小與勢(shì)壘高度、寬度以及電場(chǎng)強(qiáng)度等因素有關(guān)。當(dāng)勢(shì)壘高度較低、寬度較窄或電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，隧道電流會(huì)增大。在InAs基探測(cè)器中，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，如增加勢(shì)壘層的厚度或調(diào)整勢(shì)壘層的材料，可以提高勢(shì)壘高度，減小隧道電流。晶格失配和材料缺陷對(duì)暗電流有著重要的影響。在InAs基材料的生長(zhǎng)過程中，由于InAs與襯底或其他外延層之間的晶格常數(shù)存在差異，會(huì)導(dǎo)致晶格失配。晶格失配會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而形成位錯(cuò)等缺陷。這些缺陷會(huì)成為載流子的復(fù)合中心，增加載流子的復(fù)合幾率，從而導(dǎo)致暗電流增大。通過高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）觀察發(fā)現(xiàn)，在晶格失配較大的InAs基材料中，存在大量的位錯(cuò)線，這些位錯(cuò)線會(huì)顯著增加暗電流。材料中的雜質(zhì)和其他缺陷，如空位、間隙原子等，也會(huì)影響暗電流的大小。這些缺陷會(huì)改變材料的電學(xué)性質(zhì)，增加載流子的散射和復(fù)合，從而導(dǎo)致暗電流增大。為了更直觀地展示暗電流特性，圖2給出了不同偏壓下InAs基室溫中波紅外探測(cè)器的I-V曲線。從圖中可以看出，在零偏壓下，探測(cè)器的暗電流較小，但隨著偏壓的增加，暗電流逐漸增大。在正向偏壓下，暗電流的增加主要是由于熱激發(fā)電流和擴(kuò)散電流的增大；在反向偏壓下，暗電流的增加則主要是由于隧道電流和表面漏電流的增大。當(dāng)反向偏壓達(dá)到一定程度時(shí)，暗電流會(huì)急劇增大，這是由于探測(cè)器發(fā)生了擊穿現(xiàn)象。通過對(duì)I-V曲線的分析，可以評(píng)估探測(cè)器的暗電流性能，并為進(jìn)一步優(yōu)化探測(cè)器的結(jié)構(gòu)和制備工藝提供依據(jù)。5.2.2響應(yīng)率與探測(cè)率響應(yīng)率和探測(cè)率是衡量InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的重要參數(shù)，它們直接反映了探測(cè)器對(duì)紅外光信號(hào)的響應(yīng)能力和探測(cè)靈敏度。響應(yīng)率是指探測(cè)器輸出的光電流與入射光功率的比值，它表示探測(cè)器對(duì)單位入射光功率的響應(yīng)程度，是衡量探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于InAs基室溫中波紅外探測(cè)器，其響應(yīng)率R的定義為：R=\frac{I_{ph}}{P_{in}}其中，I_{ph}是光電流，P_{in}是入射光功率。響應(yīng)率的單位通常為A/W（電流響應(yīng)率）或V/W（電壓響應(yīng)率），本研究中采用的是電流響應(yīng)率。響應(yīng)率與探測(cè)器的量子效率、載流子遷移率等因素密切相關(guān)。量子效率\eta表示探測(cè)器產(chǎn)生的光生載流子數(shù)與入射光子數(shù)的比值，它反映了探測(cè)器對(duì)光子的吸收和轉(zhuǎn)換效率。載流子遷移率\mu則表示載流子在材料中移動(dòng)的速度，它影響著光生載流子在探測(cè)器中的傳輸效率。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，響應(yīng)率與量子效率和載流子遷移率的關(guān)系可以表示為：R=\frac{q\cdot\eta\cdot\mu\cdot\tau}{L}其中，q是電子電荷量，\tau是載流子壽命，L是探測(cè)器的吸收層厚度。從公式中可以看出，量子效率越高，探測(cè)器吸收和轉(zhuǎn)換光子的能力越強(qiáng)，響應(yīng)率也就越高；載流子遷移率越大，光生載流子在探測(cè)器中的傳輸速度越快，響應(yīng)率也會(huì)相應(yīng)提高。探測(cè)率是一個(gè)綜合考慮了探測(cè)器響應(yīng)率和噪聲水平的參數(shù)，它更全面地反映了探測(cè)器探測(cè)微弱信號(hào)的能力。探測(cè)率D^*的定義為：D^*=\frac{\sqrt{A\cdot\Deltaf}}{NEP}其中，A是探測(cè)器的光敏面積，\Deltaf是測(cè)量帶寬，NEP是噪聲等效功率。噪聲等效功率是指探測(cè)器輸出信號(hào)功率等于噪聲功率時(shí)的入射光功率，它反映了探測(cè)器的噪聲水平。探測(cè)率的單位通常為cm\cdotHz^{1/2}/W。探測(cè)率越高，說明探測(cè)器在相同的噪聲水平下，能夠探測(cè)到更微弱的信號(hào)，其探測(cè)靈敏度也就越高。在實(shí)際應(yīng)用中，探測(cè)器往往需要在噪聲環(huán)境中工作，因此探測(cè)率是衡量探測(cè)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。材料質(zhì)量和器件結(jié)構(gòu)對(duì)響應(yīng)率和探測(cè)率有著顯著的影響。高質(zhì)量的InAs基材料具有較低的缺陷密度和雜質(zhì)含量，這有助于提高量子效率和載流子遷移率，從而提升響應(yīng)率和探測(cè)率。通過優(yōu)化LPE生長(zhǎng)工藝參數(shù)，如精確控制生長(zhǎng)溫度、液相組分和降溫速率等，可以獲得高質(zhì)量的InAs基材料。在生長(zhǎng)溫度為530℃，液相組分中In、As、Sb、P的摩爾比為1：1：0.5：0.3，降溫速率為1℃/min時(shí)，生長(zhǎng)出的InAs基材料具有較好的晶體質(zhì)量，缺陷密度較低，基于該材料制備的探測(cè)器響應(yīng)率和探測(cè)率較高。器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也對(duì)響應(yīng)率和探測(cè)率有著重要影響。采用pin結(jié)構(gòu)的InAs基探測(cè)器，由于本征層的存在，能夠增加耗盡層的寬度，提高對(duì)光生載流子的收集效率，從而提高響應(yīng)率和探測(cè)率。在pin結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)增加本征層的厚度，可以進(jìn)一步提高對(duì)光生載流子的收集效率，但同時(shí)也需要考慮載流子的復(fù)合幾率和器件電容的增加對(duì)響應(yīng)速度的影響，需要在這些因素之間進(jìn)行綜合權(quán)衡。為了深入研究響應(yīng)率和探測(cè)率，本研究對(duì)不同樣品進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，不同樣品的響應(yīng)率和探測(cè)率存在一定差異。樣品1采用了優(yōu)化的LPE生長(zhǎng)工藝和pin結(jié)構(gòu)，其響應(yīng)率和探測(cè)率較高；樣品2在生長(zhǎng)工藝上存在一些不足，材料質(zhì)量相對(duì)較差，導(dǎo)致響應(yīng)率和探測(cè)率較低；樣品3雖然材料質(zhì)量較好，但