BIB探测器的制备及等离子体效应的应用研究

发布时间：2019-04-23 23:03

【摘要】：红外探测和太赫兹波探测技术,在军事、天文及成像领域发挥着越来越重要的作用。阻挡杂质带(Blocked impurity band,BIB)探测器,因为具有响应波段宽、响应率高、响应速度快、易于大规模制备及方便读出等优点,已经在过去三十年中成为国外天文领域中首选的覆盖中红外至太赫兹波段的红外探测器。因为应用领域的敏感,国外对中国的红外探测技术一直处于封锁阶段。而国内对BIB探测器的研究尚处于起步阶段,在很大程度上限制了我国天文航空事业的发展。因此,我们亟需系统性地研究探索BIB探测器。本论文工作主要是关于BIB探测器的制备及其结构的优化,从实验和模拟两方面研究了器件制备、光电特性及表面等离激元对于器件性能的影响,为硅(Si)基以及其他材料体系的BIB探测器的发展和优化提供了参考和依据。本研究工作取得了以下几个方面的创新成果:1.通过离子注入的方式将高浓度的砷(As)掺入高阻单晶硅Si,并经过快速退火处理(RTA),获得了厚度100～200nm、表面晶格结构有序、具有优异电学性能的Si:As掩埋电极层,适合用作Si基红外探测器的背电极。我们使用HRTEM和EDX系统性的研究了离子注入样品中的投影射程(ProjectRange,PR)型缺陷的演化过程。由实验结果得出这种缺陷也是一种由As原子聚集而成的二次缺陷。并得出随着退火温度的上升,PR缺陷会融合附近尺寸较小的PR缺陷而长大。EDX和电化学电容-电压(ECV)结果表明SiO_2/Si界面在As去失活的过程中扮演重要角色。2.我们详细地测量了 BIB探测器在不同偏压下的响应,即正常工作模式(conventional operation mode,COM)和反常工作模式(alternate operating mode, AOM)。结果表明,工作偏压2.0V时,BIB探测器在AOM模式下有着更强的响应,并且在小偏压时(1.2V),其响应光谱相较COM模式下的响应范围更广,覆盖了 3～35μm的范围,而COM模式下的光谱在31μm处即截止。同时我们分析了 AOM下暗电流的起因,为器件的进一步优化提供了理论基础。3.为改进THz BIB探测器性能,我们制备了前入射式器件和背入射式器件来系统的研究体等离子效应对于THz探测的影响。通过详细的表征,我们发现,由于掩埋背电极的等离子效应,在波长大于25μm之后,入射光几乎被全反射,导致器件在此波段几乎无响应。这一实验结果助于改进背入射式器件的设计及性能。4.首次将二维孔状阵列(two-dimensional hole arrays,2DHA的表面等离激元(surface plasmon polariton,SPP)耦合结构引入外延型BIB探测器的设计中。BIB参考探测器的光谱响应覆盖15～35μm,在将2DHA结构与BIB探测器集成之后,探测器的光谱获得显著的调制效果。共振波长之外的响应强度被明显抑制,推动了 BIBTHz多色探测器的发展。5.第一次将2DHA结构引入离子注入型BIB探测器的设计中。BIB参考探测器的光电响应覆盖15～31μm,在将2DHA结构与BIB探测器集成之后,探测器的响应在共振波长处获得25%-35%的增强,探测器的带边响应(30.7μm)获得8倍的增强。通过FDTD模拟得出,在2DHA结构附近,存在强度高达3倍于入射场强的局域电场,共振波长的增强效果来自于表面等离子极化激元与入射光的近场耦合。而带边响应的增强来自于局域电场引起的Franz-Keldysh效应。我们在表面等离激元增强探测器上的工作为BIB探测器结构的优化与性能改进奠定了基础。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN215

【参考文献】