碲镉汞红外焦平面的光敏元电容特性研究

发布时间：2020-08-09 02:27

【摘要】：碲镉汞材料在红外探测领域是一种最有发展前景的合金材料。作为窄禁带半导体,HgCdTe材料常被应用于中长波红外探测,尤其是在3-5μm和8-12μm的大气窗口光谱区,而其探测器性能也与碲镉汞光敏元电容有着密切的联系。因为碲镉汞PN结电容较小,很难测准,且之前的文献报道的碲镉汞电容只是直接给出电容大小的结果,而没有测试的过程介绍以及该电容与其他探测器电容大小的比较。相比之下,本文详细介绍了碲镉汞光敏元电容的测试方法原理,对寄生电容进行了分析和标定,并最终给出了误差分析。将本文的碲镉汞探测器电容与各类探测器电容进行了比较,还计算得到载流子浓度以及其在结区对应的深度,与剥层霍尔的实验数据相符合。本文研究聚焦于碲镉汞光敏元电容,主要研究内容如下:(1)本文报道了在液氮温度下通过杜瓦对HgCdTe器件进行电容测试的方法,标定了仪器寄生电容以及杜瓦的寄生电容,并利用该C-V测试结果计算得到PN结区附近的载流子浓度和相应的深度等数据。PN结器件1号样品零偏电压时的电容为92.8pF,电容密度5.13×10~4pF·cm~(-2),且随着反偏电压的增大,耗尽层宽度增大,导致电容减小。考虑到仪器及引线寄生电容误差,则最终的电容误差率为0.32%-0.42%。通过C-V曲线可计算得到:零偏压时PN结器件1号样品耗尽层宽度0.28μm,对应的N~-区载流子浓度6.07×10~(15)cm~(-3)。随着向N区扩展深度W_n的增加,N区载流子浓度呈上升趋势,这也与本文的n~+-n~--p的器件结构相符。(2)制备了碲镉汞雪崩光电二极管(APD)器件并进行了测试分析,并将测试结果与碲镉汞PN结器件进行了对比。碲镉汞APD器件2号样品零偏电压时的电容为11.3pF,相同面积下与碲镉汞PN结器件1号样品的92.8pF相比,电容显著下降。考虑到仪器及引线寄生电容误差,最终的电容误差率为2.65%-3.31%。通过C-V曲线可计算得到:零偏压时APD器件2号样品耗尽层宽度2.33μm,对应的N~-区载流子浓度3.47×1014cm~(-3)。将PN结器件跟APD器件相对比,APD的耗尽层宽度远大于PN结器件,说明退火可以展宽耗尽层。而APD器件的N区载流子浓度则较低,也说明了退火可以使得汞填隙扩散而导致N区载流子浓度降低。(3)制备了不同退火条件的碲镉汞APD器件并对测试结果进行了对比。实验结果表明:退火可以使APD的耗尽层展宽,从而得到更小的结电容,且适当延长退火时间,其结电容越小,N区载流子浓度也越小。通过仪器测试C-V曲线并通过计算便可得到载流子浓度以及对应的结区深度,与传统的剥层霍尔实验相比,更为简单便捷,在实际的科研中会有较好的意义(例如利用载流子浓度以及耗尽层宽度来计算APD器件的增益电压曲线等)。
【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】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG132.2;TN215
【图文】：

线图,正偏压,方块,电容

线图 pn 结电容与频率的关系（方块为正偏压 0.2V，+为正偏压elationship between capacitance and frequency of pn junction in (square means positive bias 0.2V,+means positive bias 0.3V)知，当处于低频状态时，扩散电容 Cdiff与势垒电容 Cdl都区的少数载流子可以跟上交变电场的变化，因此在低频区包括两个部分：势垒电容与扩散电容；在高频区，少数载场的变化，扩散电容也就慢慢趋于零，因此结电容在高频。图 1.1 可以看出 pn 结电容在 30-80pF 的范围内，与偏压关。文章作者采用的电容为商用 Si 二极管——1N4001，如流二极管，由二极管的参数图上可以简单的计算出二极管8mm2（9.4mm 2.7mm），继而可以计算其电容密度以更gCdTe 等探测器结电容进行比较，其电容为 30-80pF，则

参数图,二极管,碲镉汞

用 Si 二极管 1N4001 的参数图[23]ric Diagram of Commercial Si Dio）探测器的电容种Ⅲ-Ⅴ族材料，随 In 组分围内变化，并且铟镓砷具有高经较为成熟，InGaAs 材料因[27][28][29][30][31][32][33][34][35]。在近室温下运行，同时它的灵外探测器获得了飞速的发展和的碲镉汞都是应用于红外探测方面存在差异，因此研究铟镓测器如碲镉汞的研究，同时，相信在其中可以获得对碲镉汞

电压曲线,像元,电容,探测器

第 1 章绪论二极管阵列制作以及衬底移除等步骤，最终得到了铟镓砷红外焦平面通过对其背部照明测试，完成了电流-电压，电容-电压，光谱响应，应等结果，我们主要关注电容-电压曲线（capacitance-voltage curve）文章指出电容电压曲线的影响因素有：电压控制的耗尽层宽度以的结区。下图展示的就是 InGaAs 与 InP 衬底杂化的红外探测器阵列图。由图 1.3 可以看出，电容在零偏压条件下的电容为 0.11pF，在反达到 5V 时电容为 0.09pF。而此探测器像元为直径 10μm 的像元，算可以得到其电容密度为 2.87 104pF/cm2。与传统的硅基探测器相比102pF/cm2-3.15 102pF/cm2），电容密度明显提升了很多。

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