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《中国科学技术大学》 2012年
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碲镉汞红外探测器光电响应特性的机理研究

王俊  
【摘要】:碲镉汞(HgCdTe)红外探测器被广泛应用于红外探测系统,可以工作在1-3,3-5和8-12μm的大气窗口。近50年来随着HgCdTe红外探测技术的发展,HgCdTe材料在红外探测领域中的地位已经如同硅材料在微电子领域的地位一样重要。但目前HgCdTe器件的性能水平还难以满足军用和民用技术发展的需要。为了进一步提高HgCdTe器件的性能,建立可与不同工艺水平相适应的器件模拟平台是十分必要的。HgCdTe器件的制作过程非常复杂,周期长且价格昂贵,这使得器件模拟技术成为器件发展的一个重要工具。通过器件仿真和模拟技术,人们容易弄清哪些物理因素制约了器件的性能,进而提出改善器件性能的工艺和方法。它不仅减少了开发的费用,而且为提高产品的质量、可靠性、性能和器件的优化提供了一种切实可行、省时省力的方法。目前器件模拟技术已经成为HgCdTe器件设计和制作中的一个重要工具。 本文主要以提高HgCdTe器件性能所面临的主要问题和难点为出发点,致力于应用器件的数值模型和解析模型,对HgCdTe器件进行性能分析、优化和设计。其主要内容如下: 1.针对高掺杂HgCdTe红外探测二极管,研究了HgCdTe光电二极管高掺杂n区光伏蓝移机理,通过考虑以下效应:(Ⅰ)考虑HgCdTe材料导带非抛物线特性的BM(Burstein-Moss)效应;(Ⅱ) BGN(band gap narrowing)效应;(Ⅲ)Hg空位掺杂所引起的受主缺陷能级,结果表明n反型区的光伏响应峰位相对于p区具有明显的蓝移现象。这个结果很好地澄清了实验上观察到的高掺杂n区光响应的蓝移现象。因此我们能够得出结论,能带变窄效应和导带非抛物线效应对高掺杂n+-on-p型HgCdTe红外探测二极管的光伏响应具有重要影响。 2.研究了不同载流子统计近似模型对HgCdTe器件性能分析的影响,通过与大量实验数据的比较得出最准确的HgCdTe载流子统计近似模型。讨论了三种不同的载流子统计近似模型适用条件,(Ⅰ)抛物线近似,(Ⅱ) Bebb等人所采用的导带非抛物线近似,和(Ⅲ) Harman等所采用的导带非抛物线近似模型被用来计算HgCdTe光伏器件的光学带隙和光伏响应。结合实验结果表明忽略导带非抛物线效应将导致能带计算的巨大偏离,尤其在器件高掺杂情况下;利用抛物线模型和Harman等采用的非抛物线近似模型计算得到的结果导致光伏响应峰值分别向短波和长波方向移动。 3.建立了非晶HgCdTe红外探测器载流子输运模型,研究了80-300K温度下硅基非晶HgCdTe红外探测器的暗电流和光电流的温度依赖关系。发现该器件的探测率在210K具有最大值,结果表明硅基生长的非晶HgCdTe薄膜可用于制备高温工作的硅基集成的非晶红外探测器。基于Mott的载流子输运模型,揭示了非晶HgCdTe材料定域态向扩展态导电的转变是器件光电流和暗电流比峰值出现在210K的原因。 4.针对红外光伏探测器暗电流特性,利用解析的非线性拟合方法对砷掺杂长波HgCdTe光伏探测器在不同温度下的暗电流特性进行研究。获得了器件物理参数随温度的变化规律;并对实验数据进行了拟合获得了大量砷掺杂长波HgCdTe光伏器件的基本物理参数,获得了制约该器件性能的主要物理机制。同时针对利用单极阻挡层结构抑制暗电流的红外探测器,研究了单极阻挡层和传统pn结构红外光电二极管的I-V特性和R0A随温度的变化关系。通过数值模拟分析了单极阻挡层结构红外光电二极管不同暗电流成份的抑制机理。结果表明与传统pn结构红外光电二极管相比单极阻挡层结构红外光电二极管在性能上有了很大提高。
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