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文檔簡介
1、紅外探測和太赫茲波探測技術(shù),在軍事、天文及成像領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。阻擋雜質(zhì)帶(Blocked impurity band,BIB)探測器,因為具有響應(yīng)波段寬、響應(yīng)率高、響應(yīng)速度快、易于大規(guī)模制備及方便讀出等優(yōu)點,已經(jīng)在過去三十年中成為國外天文領(lǐng)域中首選的覆蓋中紅外至太赫茲波段的紅外探測器。因為應(yīng)用領(lǐng)域的敏感,國外對中國的紅外探測技術(shù)一直處于封鎖階段。而國內(nèi)對BIB探測器的研究尚處于起步階段,在很大程度上限制了我國天文航空事業(yè)的發(fā)
2、展。因此,我們亟需系統(tǒng)性地研究探索BIB探測器。
本論文工作主要是關(guān)于BIB探測器的制備及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,從實驗和模擬兩方面研究了器件制備、光電特性及表面等離激元對于器件性能的影響,為硅(Si)基以及其他材料體系的BIB探測器的發(fā)展和優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。本研究工作取得了以下幾個方面的創(chuàng)新成果:
1.通過離子注入的方式將高濃度的砷(As)摻入高阻單晶硅Si,并經(jīng)過快速退火處理(RTA),獲得了厚度100~200nm、表
3、面晶格結(jié)構(gòu)有序、具有優(yōu)異電學(xué)性能的Si:As掩埋電極層,適合用作Si基紅外探測器的背電極。我們使用HRTEM和EDX系統(tǒng)性的研究了離子注入樣品中的投影射程(Project Range,PR)型缺陷的演化過程。由實驗結(jié)果得出這種缺陷也是一種由As原子聚集而成的二次缺陷。并得出隨著退火溫度的上升,PR缺陷會融合附近尺寸較小的PR缺陷而長大。EDX和電化學(xué)電容-電壓(ECV)結(jié)果表明SiO2/Si界面在As去失活的過程中扮演重要角色。
4、 2.我們詳細(xì)地測量了BIB探測器在不同偏壓下的響應(yīng),即正常工作模式(conventional operation mode,COM)和反常工作模式(alternate operating mode,AOM)。結(jié)果表明,工作偏壓<2.0V時,BIB探測器在AOM模式下有著更強的響應(yīng),并且在小偏壓時(<1.2V),其響應(yīng)光譜相較COM模式下的響應(yīng)范圍更廣,覆蓋了3~35μm的范圍,而COM模式下的光譜在31μm處即截止。同時我們分析了A
5、OM下暗電流的起因,為器件的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
3.為改進(jìn)THz BIB探測器性能,我們制備了前入射式器件和背入射式器件來系統(tǒng)的研究體等離子效應(yīng)對于THz探測的影響。通過詳細(xì)的表征,我們發(fā)現(xiàn),由于掩埋背電極的等離子效應(yīng),在波長大于25μm之后,入射光幾乎被全反射,導(dǎo)致器件在此波段幾乎無響應(yīng)。這一實驗結(jié)果助于改進(jìn)背入射式器件的設(shè)計及性能。
4.首次將二維孔狀陣列(two-dimensional hole arr
6、ays,2DHA的表面等離激元(surface plasmon polariton,SPP)耦合結(jié)構(gòu)引入外延型BIB探測器的設(shè)計中。BIB參考探測器的光譜響應(yīng)覆蓋15~35μm,在將2DHA結(jié)構(gòu)與BIB探測器集成之后,探測器的光譜獲得顯著的調(diào)制效果。共振波長之外的響應(yīng)強度被明顯抑制,推動了BIB THz多色探測器的發(fā)展。
5.第一次將2DHA結(jié)構(gòu)引入離子注入型BIB探測器的設(shè)計中。BIB參考探測器的光電響應(yīng)覆蓋15~31μm,
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