碲镉汞雪崩光电二极管器件制备及噪声研究

发布时间：2020-03-31 04:32

【摘要】：碲镉汞(HgCdTe)雪崩焦平面器件具有第三代红外焦平面探测器所要求的多功能、主动/被动双模式和高灵敏度等的特性,在低光通量探测、超光谱、主被动复合成像、自由空间通讯等方面已经显现出强大的应用潜力。本文基于碲镉汞液相外延材料,采用刻蚀成结工艺,围绕PIN型APD器件制备和结特性评价方法、以及过剩噪声因子测试与评价等几个方面开展了一系列的研究工作。主要研究内容如下:1.离子束刻蚀速率的研究。CdTe在加速电压100V,束压/束流200V/250mA的刻蚀条件下的刻蚀速率为0.98nm/s;ZnS在加速电压50V,束压100V,束流125mA的刻蚀条件下刻蚀速率为0.07nm/s。由于设备在实际使用中的参数调节与理论模型的参数存在差异,导致Smoekh的经典刻蚀速率理论模型并不能很好地模拟实际的介质膜刻蚀速率,因此研究提出了ZnS在加速电压100V~220V,束压束流100V/125mA~200V/250mA范围内的刻蚀速率经验公式:ER=0.00014(0.014V_加-0.399)(0.024V_束-1.407)。上述研究发现,在离子束刻蚀成结工艺中为精确控制HgCdTe的反型深度应降低刻蚀速率,因此介质膜的生长厚度批次一致性是刻蚀成结工艺重复性的关键。2.离子束刻蚀形成反型层厚度、浓度及横向扩展的研究。通过剥层霍尔测试研究了不同刻蚀条件下形成的反型层深度和浓度分布,确定了加速电压50V,束压/束流100V/125mA的离子束刻蚀条件。Hg空位浓度1.3×10~(16)cm~(-3)的P型材料在这种刻蚀条件下N型反型层总厚度大约5μm,其中表面1μm内载流子浓度为10~(16)cm~(-3)量级,下方有大约4μm的载流子浓度为10~(15)cm~(-3)量级。LBIC测试结果表明刻蚀反型层的横向扩展还与刻蚀区大小相关,刻蚀区面积越大其横向扩展也越多。3.建立了HgCdTe中的多层载流子模型。用于分析剥层霍尔测试结果中不同深度处的载流子浓度、迁移率等电学参数。4.碲镉汞雪崩光电二极管(APD)器件的制备和性能测试。本文利用离子束刻蚀工艺成功制备出平面PIN型HgCdTe APD器件,研究结果表明器件增益与截止波长、N~-区厚度密切相关,截止波长4.8μm的中波器件在17.5V反偏电压下增益可达1200,APD器件过剩噪声因子与反向电压正相关。本文还制备了国内首个HgCdTe APD焦平面器件,截止波长3.56μm,面阵规模为16×16,焦平面器件在0~6V反向偏压下有效像元率大于90%,非均匀性小于20%,6V反偏下NEPh约为60,过剩噪声因子为1.2,10V下器件量子效率91.75%。5.搭建了低频噪声测试系统。测试系统的背景噪声水平约2×10~(-28) A~2/Hz,低于目前实验室器件噪声水平,可用于对现有器件噪声水平进行表征。研究了常规HgCdTe器件和HgCdTe APD器件的低频噪声成分,其中常规器件在小反向偏压下表现出1/f噪声、产生-复合噪声、白噪声三段经典光伏器件噪声谱特征,随着反偏电压的增大,1/f噪声逐渐增加,表明表面漏电逐渐变大;HgCdTe APD器件的噪声水平明显大于普通器件,噪声成分也是以1/f噪声为主。噪声测试结果表明表面漏电是制约目前器件性能的重要原因。6.尝试将一些其他的结构工艺引入目前的HgCdTe APD器件制备工艺当中。制备了截止波长4.4μm的台面器件,7.5V下最大增益可达80。研究了CdTe作为注入阻挡层的结区的性质,提出了B~+分布的经验公式:研究了退火对离子注入结深的影响,采用能量150keV,剂量1×10~(14)cm~(-2)注入条件形成的PN结深1.36μm~1.65μm,退火后结深2.41μm~2.82μm。增大注入剂量至1×10~(15)cm~(-2)后结区性质并没有出现明显的变化,说明1×10~(14)cm~(-2)的注入剂量下载流子浓度已经饱和。
【图文】：

gCdTe APD）以其高增益、高灵敏度、高速探测]，是第三代红外光电探测器的重要发展方向之一顾了 HgCdTe 红外探测器的发展历程，然后介绍，并分析了 HgCdTe 红外探测器的噪声成分，最进行了说明。外探测器gCdTe）材料是由负禁带宽度的碲化汞（HgTe,Eg=碲化镉（CdTe,Eg=1.6eV,T=77K）混合而成的赝)x，即 Hg1-xCdxTe。碲镉汞材料的禁带宽度可随 CeV 间连续可调（图 1.1），从而覆盖整个红外波段，我国汤定元院士在 1967 年开始倡导了对 HgC

图 1.3 雪崩倍增过程示意图[8]Figure 1.3 Schematic diagram of the avalanche multiplication process雪崩光电二极管中，碰撞离化系数是一个特别重要的参数，人们在单位距离内产生的电子-空穴对数为这种载流子的离化系数，它增益因子、工作带宽和过剩噪声的大小。通常情况下，电子的离的离化系数 β 是不同的，定义离化系数比 k=β α。1993 年，G.L究了 HgCdTe 材料中载流子的离化系数比 k 和 Cd 组分 x 之间的所示。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN364.2

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