新型碲鎘汞紅外探測器載流子輸運機理研究.pdf

1、隨著紅外技術(shù)應(yīng)用需求的不斷提高，研發(fā)具有低成本、低噪聲、高靈敏度、高溫工作、甚長波探測等特征的新一代高性能碲鎘汞（HgCdTe）紅外焦平面器件及其檢測技術(shù)是紅外技術(shù)發(fā)展的制高點，其中包括：高精密的激光束誘導(dǎo)電流檢測技術(shù)；高靈敏的雪崩探測器；甚長波探測器；高溫工作探測器。本文從理論和實驗上對顯微激光束誘導(dǎo)電流（LBIC）檢測技術(shù)、HgCdTe電子雪崩探測器、長波探測器，以及高溫工作探測器展開了研究，旨在為新一代 HgCdTe紅外焦平面器件

2、的研發(fā)提供一定的基礎(chǔ)理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容和成果如下：
　　1、搭建了高分辨率的LBIC變溫檢測平臺，精細(xì)測量了低溫和室溫條件下B+離子注入成結(jié)的中波HgCdTe光伏器件的LBIC信號，成功地觀測到了光敏單元結(jié)區(qū)電學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化特征和有效光敏尺寸擴展效應(yīng)的消失現(xiàn)象。建立了中波HgCdTe光伏器件的p-n結(jié)轉(zhuǎn)換模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究表明：B+離子注入缺陷和Hg原子的填隙擴散共同造成了pn結(jié)與溫度相關(guān)的轉(zhuǎn)換特性；相

3、對于長波器件，p型中波HgCdTe材料具有較寬的帶隙和較弱的高溫混合電導(dǎo)效應(yīng)，造成了有效光敏尺寸擴展效應(yīng)的消失。
　　2、開展了飛秒脈沖激光對Hg空位摻雜p型HgCdTe材料的打孔實驗，并對孔洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低溫和室溫條件下的LBIC變溫檢測。檢測結(jié)果表明，孔洞結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出pn結(jié)特性，且LBIC曲線分布依賴于檢測溫度。結(jié)合p型HgCdTe材料的霍爾系數(shù)測量實驗，建立了打孔樣品與激光刻蝕缺陷相關(guān)的p-n結(jié)轉(zhuǎn)換理論模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬驗證

4、。研究結(jié)果表明：脈沖激光打孔使得材料表面的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，呈現(xiàn)了與溫度相關(guān)的pn結(jié)轉(zhuǎn)換特性；對溫度敏感的刻蝕陷阱效應(yīng)和混合電導(dǎo)效應(yīng)造成了打孔樣品電學(xué)性質(zhì)和pn結(jié)類型的變化，是導(dǎo)致室溫下激光刻蝕區(qū)LBIC信號異常反轉(zhuǎn)的主要原因。
　　3、基于Okuto–Crowell雪崩模型，考慮到載流子的多種產(chǎn)生-復(fù)合機制（如間接復(fù)合、輻射復(fù)合、俄歇復(fù)合、陷阱輔助隧穿效應(yīng)、帶帶隧穿效應(yīng)），建立了平面p-i-n結(jié)構(gòu)的HgCdTe電子雪崩器件有效

5、物理模型，仿真電流-電壓（I-V）特征曲線與文獻(xiàn)報道實驗數(shù)據(jù)非常吻合，驗證了模型的準(zhǔn)確性。暗電流輸運機制研究表明，帶帶隧穿效應(yīng)和雪崩效應(yīng)是器件在高反偏壓階段的主導(dǎo)暗電流機制。器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果表明，通過改善結(jié)區(qū)電場分布的均勻性，如消除尖銳的結(jié)區(qū)拐角、雪崩區(qū)輕摻雜和厚度適中，能夠有效地抑制帶帶隧穿效應(yīng)，提高器件性能。揭示了工藝中雪崩i區(qū)摻雜濃度過高是造成器件性能不理想和不受i區(qū)厚度影響的內(nèi)在機理。
　　4、系統(tǒng)研究了長波Hg1-xCd

6、xTe（x≈0.219）陣列探測器的變溫和變面積電學(xué)特性。零偏電阻面積積（R0A）與周長面積比值（P/A）的實驗特征曲線表明，表面漏電流依然是限制器件整體性能的主要原因。建立了長波HgCdTe器件物理模型，變溫I-V曲線的實驗和仿真結(jié)果表明，50K時陷阱輔助隧穿效應(yīng)主導(dǎo)的暗電流機制是造成長波陣列探測器非均勻性的主要原因。通過仿真數(shù)據(jù)提取了器件的表面復(fù)合速率S0≈2.5×104cm/s和陷阱濃度范圍1013~1014cm-3。
　　

7、5、基于能帶工程設(shè)計了PBπn型HgCdTe長波紅外探測器，并進(jìn)行了初步的實驗驗證。對PBπn器件和傳統(tǒng)pn結(jié)光伏器件的光譜響應(yīng)曲線、1/R0A～1000/T曲線和暗電流I-V曲線進(jìn)行了數(shù)值仿真計算和對比研究。研究結(jié)果表明，PBπn器件整體性能相對于傳統(tǒng)光伏器件有了較大的提升。PBπn獨特的能帶勢壘結(jié)構(gòu)能夠在降低暗電流的同時，有效提高光譜響應(yīng)率。此外，當(dāng)溫度高于215K時，PBπn器件能夠有效抑制俄歇漏電流，有望應(yīng)用于高溫工作器件領(lǐng)域。