HgCdTe环孔探测器的研究

发布时间：2018-12-11 08:15

【摘要】：本论文围绕Hg Cd Te环孔探测器的研制开展了研究工作:通过对刻蚀速率和刻蚀轮廓的研究,实现了环孔探测器的关键工艺-环孔通道的制备;通过离子束刻蚀碲镉汞电学特性的研究,确定了环孔探测器中pn结的结构;研究了影响光敏面尺寸的关键因素,为器件的设计提供了参考;对环孔探测器进行了性能表征和分析,初步探索了环孔探测器在高温和雪崩方面的性能。本论文的主要内容包括:1.实现了Hg Cd Te环孔探测器的关键工艺。在刻蚀Hg Cd Te速率实验中,束流密度和高离子束能量与刻蚀速率的关系符合Smoekh模型,即,并在离子束入射角度为20?时,获得Hg Cd Te刻蚀速率的极大值;实验发现刻蚀轮廓的侧壁角度很大程度上依赖于掩膜的轮廓和掩膜的选择比,环孔通道刻蚀需要选择耐刻蚀的厚胶;在变角度刻蚀实验中,发现30?角度下刻蚀可以有效地消除槽底开沟现象,有利于环孔通道的成功互连;对比了O+离子束和Ar+离子束对胶体和金属的刻蚀速率,选择了最佳的刻蚀方案;最后,通过I-V测试得到互连电阻为39?,实现了有效互连。2.研究了离子束刻蚀Hg Cd Te的电学特性。用迁移率谱分析了离子束刻蚀后的Hg1-xCdxTe(x=0.236),表明p型Hg Cd Te在刻蚀后形成n+n结构,即生成两个不同电学特性的电子层:迁移率为1.5?104cm2/V?s的表面电子层和迁移率为1.0?105cm2/V?s的体电子层。对77K、150K和230K下迁移率谱的分析表明两个电子层的迁移率随温度的变化是不同的:表面电子层的迁移率不随温度而变化,体电子层的迁移率随温度的升高而降低。通过对体电子高温部分的曲线拟合,发现不同厚度下的迁移率与温度的关系均符合2?T??的变化规律,说明体电子层是传统的n型Hg Cd Te材料。剥层霍尔测试表明体电子层的载流子浓度和迁移率不随厚度变化,说明体电子层的电学性质均匀且浓度在6?1014cm-3左右。通过Petritz双层模型计算出表面电子层的浓度在1?1016cm-3?1.3?1017cm-3范围内,高于体电子层浓度2?3个数量级。3.研究影响光敏面尺寸的关键因素。利用LBIC测试研究了转型后n区宽度与材料的Hg空位浓度和被刻蚀Hg Cd Te体积的关系,结果表明p型Hg Cd Te的Hg空位浓度和被刻蚀Hg Cd Te体积与n区宽度成线性变化关系。从不同的环孔(?50?m、?20?m和?15?m)对应的n区宽度来看,n区宽度随Hg空位浓度的变化趋势是基本一致,均随Hg空位浓度的增加而线性减小。在相同浓度下,n区宽度随着被刻蚀Hg Cd Te体积的增加呈线性增加。在提取少子扩散长度实验中,对比了拟合结果和公式计算结果,发现根据材料参数测试中的数据计算出来的少子扩散长度要比拟合结果低一个量级,说明受工艺、测试等许多不确定因素影响,很难提前对少子扩散长度作出准确的判断。在n区少子扩散长度提取中,结合实验测试结果,说明了不同情况下光敏面的确定方式。最后通过分析LBIC测试结果,给出了光敏面的计算方法。4.研究Hg Cd Te环孔探测器的性能。器件光谱中采用干涉条纹推算的厚度和台阶仪测试的厚度是十分接近的,推测器件中存在着反射光的干涉现象,对器件光谱中的多峰现象作出了解释;分析了串联电阻和温度对I-V特性曲线的影响:串联电阻会增加器件的零偏电阻,对器件的开启电压影响不大,但会损耗光电流;正向开启电压会随温度的升高而降低,且I-V特性曲线在反向偏压下随温度的变化是不同的,主要是由于暗电流的主导机制不同。通过响应率和噪声测试,得到环孔探测器性能在1?1011cm HZ1/2W-1左右,最好的器件性能为:4.6?m@85K,峰值探测率为1.83?1011cm HZ1/2W-1,接近平面结性能。在暗电流研究中,通过数值计算,研究了器件在不同偏压下的主要暗电流机制,发现表面漏电流在工作点附近占暗电流的80%,是制约环孔探测器性能的主要因素。对环孔探测器进行高温测试,器件的信号从90K到230K变化不大,仅衰减了30%,明显地优于平面结器件的信号变化。另外,通过高温性能的比较,发现环孔探测器在230K的性能比LPE制备的平面结器件性能高出2倍,分析了环孔探测器在高温工作上的优势。在雪崩性能测试中,环孔探测器在线性模式下获得最大增益为?2100@-10.6V,截止波长4.8?m@85K,但同时发现暗电流也在倍增。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN215

【参考文献】