任何物體只要大於0ok,就會輻射出紅外線,因此對紅外光而言偵測器具有非常大的實用性,本篇論文首先從基本的紅外線輻射開始談起,然後說明紅外光偵測器的種類及特性,但本篇論文的重點放在目前最先進的量子點紅外光偵測器,由第二章開始從基本的物理觀念及數學方程式開始推導,循序漸進的推出量子點紅外光偵測器光電流(偵測器在光照之下而產生的電流)和暗電流(偵測器在無光照之下的電流),從推導而出的電流方程式可以看出光或暗電流和量子點密度,偏壓,摻雜濃度,及溫度的關係,得到這些關係之後我們就可以進而對偵測器的偵測度,雜訊,增益,光響應,導電率進行研究,而本人亦發現當在偏壓極高(電場極高)的狀況之下,自由電子會的溫度會受到電場的加熱而迅速增加而導致導電率的曲線趨於平緩,甚至在更高的偏壓之下會出現負的導電率,對於一個好的偵測器而言,高的光響應,偵測度及高的操作溫度,低的暗電流,雜訊是必須的,但如何能夠得到最佳的紅外光偵測器必須靠製成上的控制才能實現,因此,本論文亦探討成長量子點時和溫度,GRI時間,成長厚度,覆蓋成厚度的相關性,並找出在哪些條件之下才能獲得最佳的量子點。

Any object can emit infrared radiation if their temperature higher than 0K.Because of this,the photodetectors for infrared radition is very important in application. First,this paper will introduce the kinds and properties of infrared photodetectors but most important is the quantum dot infrared photodetectors.In second chapter,we use the basic physic concepts and mathematical equations to infer the photocurrent and dark current formula. According to the formula,we can see the relationship between current and quantum dot density,bias,donorconcentration,
Temperature. After we get the relationship,we can discuss the detectivity,noise properties, optical gain responstivity, differential photoconductivity. According to our research,the electron will be heated at very high ,bias and make the photoconductivity fairly smooth.Moreover,an increase in the effective temperature can result in the occurrence of the voltage range,where differential photoconductivity, is negative. It is important for a infrared photodetector to have high responsivity,detectivity,high working temperature,low dark current and low noise.Excepting this,to comprise a best infrared photodetector must have a good control on growth condition. Because of this,this paper will discuss the relationship between quantum dot and temperature,GRI time, growth thickness,deposited QD material.Finally,this paper find the best growth condition to form a quantum dot infrared photodetector.

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誌謝 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅲ
目錄 Ⅴ
表目錄 Ⅸ
圖目錄 Ⅹ
第一章 紅外光偵測器的簡介 1
1-1簡介 1
1-2紅外光輻射 1
1-3紅外光偵測器 2
1-3-1本質紅外光偵測器 3
1-3-2外質紅外光偵測器 3
1-3-3量子井紅外光偵測器 3
1-4量子點紅外光偵測器 4
1-4-1量子點紅外光偵測器的構造 4
1-4-2能階吸收和光電流圖 5
1-4-3 量子點元件的商業上應用 5
第二章 量子點紅外光偵測器 8
2-1量子點紅外光偵測器的模型 8
2-2在QDIP中的光電流 8
2-3暗電流 12
2-4量子點紅外光偵測器的光響應(Responsivity) 16
2-5 量子點紅外光偵測器的偵測度(Detectivity) 17
2-6量子點紅外光偵測器的雜訊特性和增益: 19
2-7負導電率 20
第三章 各種量子點的物理特性及成長方法 23
3-1 自組式量子點成長及其光學特性 23
3-2 InAs/GaAs GaSb/GaAs 之幾何結構跟其物理特性之比較 25
3-2-1 InAs/GaAs量子點之物理特性 25
3-2-2 InAs/GaSb量子井 27
3-2-3 耦合量子點-量子井的結構 28
3-3 GaSb/GaAs量子點的物理特性 30
3-3-1GaSb材料特性與在科技上應用 30
3-3-2 GaSb紅外線偵測器 32
3-3-3 GaSb-量子元件的發展與應用 33
3-3-4 GaSb／GaAs量子點的成長與特性 34
3-4利用MBE和MOCVD成長量子點之比較 35
3-4-1 MBE和MOCVD成長量子點之優缺點比較 35
3-4-2 利用MBE成長量子點 36
第四章 結果與討論 40
4-1 GaSb的結構分析 40
4-2量子點成長討論 40
4-2-1溫度影響 41
4-2-2 GRI時間的影響 42
4-2-3 成長厚度的影響 43
4-2-4覆蓋層厚度的影響 43
4-3 如何獲得最佳的GaSb/GaAs 44
第五章 結論 48
參考文獻 77

附表目錄
表3-1利用MBE和MOCVD成長量子點優缺點之比較 49
表4-1量子點幾何結構受稀釋率和成長時間得影響 50


附圖目錄
圖1.1 單位時間,單位面積,單位波長所輻射的光子數與波長及溫度的函數圖 51
圖1.2 海平面上三百公尺上潮濕空氣的光譜 52
圖1.3(a) 本質紅外光偵測器的基本操作原理 53
圖1.3(b) 外質紅外光偵測器的基本操作原理 53
圖1.4 量子井紅外光偵測器的操作原理 53
圖1.5 兩種量子點紅外光偵測器 54
圖1.6 二十層的(In,Ga)As-GaAs紅外光偵測器在不同偏壓下的光電流圖 55
圖1.7 兩種機制的能階差 55
圖2.1 理論上的光電流電壓特性 56
圖2.2 暗電流密度和量子點密度和偏壓的關係 57
圖2.3 典型的低溫(30k)五層(In,Ga)As-GaAs量子點偵測器的光響應圖 58
圖2.4 二十層量子點的光響應圖 59
圖2.5 在不同摻雜密度和量子點密度之下的歸一偵測度和偏壓曲線圖 60

圖2.6 一個20層的(In,Ga)As-GaAs的量子點偵測器在40k及78k時的偵測度 61
圖2.7(a) 元件在78k的雜訊 62
圖2.7(b) 元件在40k的雜訊 62
圖2.8 五層量子點的增益和偏壓圖 63
圖2.9 光電流電壓特性曲線 64
圖3.1 在不同的InSb成長時所得到的光激光譜圖 65
圖3.2 磁場垂直或平行量子點平面時能量的移動 66
圖3.3 量子點能量與PL雷射強度關係圖 67
圖3.4 束縛能PL最大值的關係 68
圖3.5 10.5k時的InAs量子井在0.45到0.75ev之間的光激光譜圖
69
圖3.6 耦合量子點-量子井的結構的示意圖 70
圖3.7 低溫時成長3秒的InSb量子點和4-5分子大小的InAs耦合中間隔著約30 mGaSb的隔離層的PL圖 71
圖3.8 隔離層的厚度和PL能量的關係 72
圖3.9 60mA和140mA的PL比較圖 73
圖4.1 量子點的長,寬,高和體積,大小,密度受到成長溫度影響的圖形 74
圖4.2 量子點高度和寬度與成長時間的關係圖 75
圖4.3 量子點高度的分佈圖 76

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