基于人工光子微结构调控的HgCdTe中长波焦平面红外探测器的研究
发布时间：2021-12-02 14:37
本文对新型人工光子微结构Hg Cd Te中长波焦平面红外探测器进行了数值模拟和理论分析。通过揭示人工微结构的设计对器件性能的影响,明确了光场操控对提高Hg Cd Te器件性能的重大意义,为改进或优化Hg Cd Te红外探测器件的制备工艺过程提供了可靠的判断依据,为Hg Cd Te红外探测器件工程化应用提供了基础指导。通过引入人工光子微结构,可以在维持原有探测率不变的前提下显著降低暗电流带来的探测噪声,从而提高器件性能。研究结果将为提高第三代Hg Cd Te焦平面红外探测器性能提供理论和技术支持。首先,成功地在二维及三维模拟中将时域有限差分方法（FDTD）计算所得的光场耦合入有限元（FEM）数值计算半导体器件模拟中。利用关联后的时域有限差分和有限元数值器件模拟方法,结合金属色散模型、电导率吸收模型、扩散漂移模型、泊松方程、电流连续性方程等,对不同尺寸的台柱结构器件进行了二维“光学”和“电学”模拟、对不同尺寸的金属栅-介质-金属结构器件进行了三维“光学”和“电学”模拟,计算得到了器件的吸收谱、光响应谱、暗电流及电场分布特性。通过分析暗电流和量子效率变化,获得了最大程度减小暗电流的同时维持较...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：85 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种成像与存储元器件的集成度变化历史
在红外探测器领域，HgCdTe 依然是研究和应用最为广泛的可调带隙半导体材料。HgCdTe 红外探测器可以根据工作原理分为光导型和光伏型[2, 3]。光导型 HgCdTe 红外探测器工作的物理基础是材料接受光照后的电导率变化。当能量大于禁带宽度的红外光子进入 HgCdTe 材料时，价带电子吸收了光子能量，而跃迁到导带，于是在价带中留下非平衡空穴、在导带中产生非平衡电子，促使器件的电导率发生变化，且电导率改变量与入射的红外光子通量有关，这种电学特性随外部光照条件改变的现象可以用于红外探测。光伏型 HgCdTe 红外探测器工作的物理基础是 pn 结。通过对 HgCdTe 材料掺杂形成 p 型半导体和n 型半导体来制备成 pn 结，然后当红外辐射在结区被吸收后，会被激发产生非平衡电子和空穴。这些非平衡电子和空穴或直接在 pn 结中产生，或在 p 区、n区产生而扩散到 pn 结中，并在 pn 结的内建电场中发生漂移运动，从而改变空间电场分布，产生光伏效应，若此时将器件连接在回路中，则会对外电路贡献光电流。于是可以通过探测这种光伏效应产生的光电流来探测红外信号。
因此它们在导弹预警与制导，精确打击，空中监视，目标探测、识别、搜索与追踪、热成像、导航辅助和夜间观测等一系列领域有着重大应用。同时，在地球和行星远距离成像等天文应用领域，第三代红外成像探测器同样扮演了重要的角色。这类第三代红外成像探测器具有高灵敏度和非制冷工作的特点。为了追求高灵敏度而发展起来的红外探测器主要包括（甚）长波红外探测器、双色（多色）红外探测器、超光谱阵列探测器以及雪崩红外探测器，它们具有更多的面阵像元、更快的探测帧频、更高的温度分辨率、多色响应、更长的探测波长、更完善的芯片集成度等特点[11-14]。而作为另一方向热点的非制冷则对应高温工作（HOT）红外探测器，通过尽可能地提高工作温度以降低系统的成本、尺寸、重量和能耗[16, 17]。这类探测器可广泛应用于非制冷热成像系统。非制冷热成像系统最初由美国的防务公司发展并应用于军事，现已在民用的红外监控、自动驾驶和热敏成像等领域具有巨大的商业市场前景，如图 1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Laser beam induced current microscopy and photocurrent mapping for junction characterization of infrared photodetectors[J]. QIU WeiCheng,HU WeiDa. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(02)
[2]闪烁体与光子人工微结构[J]. 刘波,陈鸿,顾牡,易亚沙. 物理. 2014(04)
本文编号：3528641
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：85 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
各种成像与存储元器件的集成度变化历史
在红外探测器领域，HgCdTe 依然是研究和应用最为广泛的可调带隙半导体材料。HgCdTe 红外探测器可以根据工作原理分为光导型和光伏型[2, 3]。光导型 HgCdTe 红外探测器工作的物理基础是材料接受光照后的电导率变化。当能量大于禁带宽度的红外光子进入 HgCdTe 材料时，价带电子吸收了光子能量，而跃迁到导带，于是在价带中留下非平衡空穴、在导带中产生非平衡电子，促使器件的电导率发生变化，且电导率改变量与入射的红外光子通量有关，这种电学特性随外部光照条件改变的现象可以用于红外探测。光伏型 HgCdTe 红外探测器工作的物理基础是 pn 结。通过对 HgCdTe 材料掺杂形成 p 型半导体和n 型半导体来制备成 pn 结，然后当红外辐射在结区被吸收后，会被激发产生非平衡电子和空穴。这些非平衡电子和空穴或直接在 pn 结中产生，或在 p 区、n区产生而扩散到 pn 结中，并在 pn 结的内建电场中发生漂移运动，从而改变空间电场分布，产生光伏效应，若此时将器件连接在回路中，则会对外电路贡献光电流。于是可以通过探测这种光伏效应产生的光电流来探测红外信号。
因此它们在导弹预警与制导，精确打击，空中监视，目标探测、识别、搜索与追踪、热成像、导航辅助和夜间观测等一系列领域有着重大应用。同时，在地球和行星远距离成像等天文应用领域，第三代红外成像探测器同样扮演了重要的角色。这类第三代红外成像探测器具有高灵敏度和非制冷工作的特点。为了追求高灵敏度而发展起来的红外探测器主要包括（甚）长波红外探测器、双色（多色）红外探测器、超光谱阵列探测器以及雪崩红外探测器，它们具有更多的面阵像元、更快的探测帧频、更高的温度分辨率、多色响应、更长的探测波长、更完善的芯片集成度等特点[11-14]。而作为另一方向热点的非制冷则对应高温工作（HOT）红外探测器，通过尽可能地提高工作温度以降低系统的成本、尺寸、重量和能耗[16, 17]。这类探测器可广泛应用于非制冷热成像系统。非制冷热成像系统最初由美国的防务公司发展并应用于军事，现已在民用的红外监控、自动驾驶和热敏成像等领域具有巨大的商业市场前景，如图 1.3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Laser beam induced current microscopy and photocurrent mapping for junction characterization of infrared photodetectors[J]. QIU WeiCheng,HU WeiDa. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2015(02)
[2]闪烁体与光子人工微结构[J]. 刘波,陈鸿,顾牡,易亚沙. 物理. 2014(04)
本文编号：3528641
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