碲鎘汞紅外探測器光電響應(yīng)特性的機理研究.pdf

1、碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測器被廣泛應(yīng)用于紅外探測系統(tǒng)，可以工作在1-3,3-5和8-12μm的大氣窗口。近50年來隨著HgCdTe紅外探測技術(shù)的發(fā)展，HgCdTe材料在紅外探測領(lǐng)域中的地位已經(jīng)如同硅材料在微電子領(lǐng)域的地位一樣重要。但目前HgCdTe器件的性能水平還難以滿足軍用和民用技術(shù)發(fā)展的需要。為了進一步提高HgCdTe器件的性能，建立可與不同工藝水平相適應(yīng)的器件模擬平臺是十分必要的。HgCdTe器件的制作過程非常復(fù)雜，周期長且價

2、格昂貴，這使得器件模擬技術(shù)成為器件發(fā)展的一個重要工具。通過器件仿真和模擬技術(shù)，人們?nèi)菀着迥男┪锢硪蛩刂萍s了器件的性能，進而提出改善器件性能的工藝和方法。它不僅減少了開發(fā)的費用，而且為提高產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、性能和器件的優(yōu)化提供了一種切實可行、省時省力的方法。目前器件模擬技術(shù)已經(jīng)成為HgCdTe器件設(shè)計和制作中的一個重要工具。
　　 本文主要以提高HgCdTe器件性能所面臨的主要問題和難點為出發(fā)點，致力于應(yīng)用器件的數(shù)值模型和解析

3、模型，對HgCdTe器件進行性能分析、優(yōu)化和設(shè)計。其主要內(nèi)容如下：
　　 1.針對高摻雜HgCdTe紅外探測二極管，研究了HgCdTe光電二極管高摻雜n區(qū)光伏藍移機理，通過考慮以下效應(yīng)：(Ⅰ)考慮HgCdTe材料導(dǎo)帶非拋物線特性的BM(Burstein-Moss)效應(yīng)；(Ⅱ)BGN(bandgapnarrowing)效應(yīng)；(Ⅲ)Hg空位摻雜所引起的受主缺陷能級，結(jié)果表明n反型區(qū)的光伏響應(yīng)峰位相對于p區(qū)具有明顯的藍移現(xiàn)象。這個結(jié)果

4、很好地澄清了實驗上觀察到的高摻雜n區(qū)光響應(yīng)的藍移現(xiàn)象。因此我們能夠得出結(jié)論，能帶變窄效應(yīng)和導(dǎo)帶非拋物線效應(yīng)對高摻雜n+-on-p型HgCdTe紅外探測二極管的光伏響應(yīng)具有重要影響。
　　 2.研究了不同載流子統(tǒng)計近似模型對HgCdTe器件性能分析的影響，通過與大量實驗數(shù)據(jù)的比較得出最準(zhǔn)確的HgCdTe載流子統(tǒng)計近似模型。討論了三種不同的載流子統(tǒng)計近似模型適用條件，(Ⅰ)拋物線近似，(Ⅱ)Bebb等人所采用的導(dǎo)帶非拋物線近似，和(

5、Ⅲ)Harman等所采用的導(dǎo)帶非拋物線近似模型被用來計算HgCdTe光伏器件的光學(xué)帶隙和光伏響應(yīng)。結(jié)合實驗結(jié)果表明忽略導(dǎo)帶非拋物線效應(yīng)將導(dǎo)致能帶計算的巨大偏離，尤其在器件高摻雜情況下；利用拋物線模型和Harman等采用的非拋物線近似模型計算得到的結(jié)果導(dǎo)致光伏響應(yīng)峰值分別向短波和長波方向移動。
　　 3.建立了非晶HgCdTe紅外探測器載流子輸運模型，研究了80-300K溫度下硅基非晶HgCdTe紅外探測器的暗電流和光電流的溫度依

6、賴關(guān)系。發(fā)現(xiàn)該器件的探測率在210K具有最大值，結(jié)果表明硅基生長的非晶HgCdTe薄膜可用于制備高溫工作的硅基集成的非晶紅外探測器。基于Mott的載流子輸運模型，揭示了非晶HgCdTe材料定域態(tài)向擴展態(tài)導(dǎo)電的轉(zhuǎn)變是器件光電流和暗電流比峰值出現(xiàn)在210K的原因。
　　 4.針對紅外光伏探測器暗電流特性，利用解析的非線性擬合方法對砷摻雜長波HgCdTe光伏探測器在不同溫度下的暗電流特性進行研究。獲得了器件物理參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律；并