硅基阻挡杂质带红外探测器研制及其光电特性研究

发布时间：2017-08-25 22:07

  本文关键词：硅基阻挡杂质带红外探测器研制及其光电特性研究

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【摘要】：红外探测技术在信息技术应用领域中正扮演着愈来愈重要的角色,而红外探测器技术又在红外探测技术中居于核心地位。阻挡杂质带红外探测器,具有覆盖波段宽、灵敏度高、响应速度快以及抗辐射性能高等优点,是红外天文应用中探测波长λ5 μm的首选红外探测器。对这一探测器的研究将在很大程度上推动我国长波红外探测器技术的发展。本论文工作围绕阻挡杂质带红外探测器的制备及其性能提升,从理论和实验两个方面研究了器件的探测机理、光电特性和特征参数对器件性能的影响,为我国在λ20 μm波段红外探测器的发展提供基本的实验数据和优化设计的经验及模型。1.基于器件的真实结构参数建立了实用的阻挡杂质带红外探测器物理模型。对器件中载流子分布、电场分布及包括响应率、噪声和探测率等在内的器件关键性能指标进行了研究。定量分析了材料特征参数对器件性能的影响。研究结果可用于进一步指导阻挡杂质带红外探测器的设计与优化。2.通过选择性离子注入制备了横向结构的Si：P阻挡杂质带红外探测器,器件工作温度5.5 K,工作偏压1.0 V时,响应波段覆盖2.5～40 pm,峰值波长27.3 pm,黑体响应率41.2 mA/W,峰值响应率0.8 A/W,黑体探测率7.6×109cm·Hz1/2·W-1。通过标准黑体响应的测试获得了器件的响应率,发现低温小偏压下器件呈线性黑体响应。暗电流测试研究表明,由于阻挡层的引入,正偏下暗电流得到良好抑制,暗电流密度低于104 A/cm2。通过傅立叶光谱仪对器件的光电流谱进行测试,指认了光电流谱的多峰和声子吸收结构。3.通过全外延技术路线制备了外延型阻挡杂质带红外探测器,器件工作温度5.0 K,工作偏压1.6 V时,响应波段覆盖2.5～40 pm,峰值波长27.5 pm,峰值响应率20.1 A/W,峰值探测率5.3×1013 cm·Hz1/2·W-1(背景光子通量低于1013 ph·cm-2·s-1),室温背景辐射下峰值探测率5.2×1011 cm·Hz1/2.W-1。研究了低温下(T16 K)器件工作偏压范围内的暗电流起源。通过对计算结果分析,排除了该区域暗电流起源于热激发电导和跳跃式电导的可能,指出暗电流来自器件对冷屏的光电响应,器件属背景限探测。提出了一种基于暗场下,-V曲线的击穿电压提取补偿杂质浓度的方法。4.通过测量和分析阻挡杂质带红外探测器的变温暗电流曲线及光电流响应谱,并结合器件能带结构的计算结果,证明了在器件阻挡层与吸收层界面处界面势垒的存在。在界面势垒的基础上,提出了阻挡杂质带红外探测器的双激发工作模式,即光生载流子直接越过界面势垒被电极收集的基本模式,和光生载流子先热弛豫到导带底然后通过隧穿或热离化的方式逃逸出界面势垒被电极收集的拓展模式。该模型很好地解释了光电流响应谱随工作偏压增大向长波方向拓展的光谱特性,揭示了在阻挡杂质带红外探测器中拓展模式对于进一步拓展探测器探测波长的可行性。阐明了双激发模型中拓展模式的输运特性,包括隧穿特性和热离化特性。计算并讨论了界面势垒效应对器件量子效率,响应率与探测率的影响。研究结果表面,引入界面势垒效应之后,理论计算的峰值响应率与实验结果符合得很好。研究结果为更加深入地理解阻挡杂质带红外探测器工作原理及后续器件优化提供了理论依据和指导方案。
【关键词】：阻挡杂质带 远红外探测 太赫兹探测 离子注入 光电流谱 暗电流 界面势垒 响应拓展
【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
【目录】：

• 致谢4-6
• 中文摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-25
• §1.1 红外天文学发展概述13-15
• §1.2 天文用红外探测器概述15-19
• §1.3 阻挡杂质带红外探测器概述19-23
• 1.3.1 非本征红外探测器19-21
• 1.3.2 非本征红外探测器的升级21-23
• §1.4 本论文的研究目的和主要内容23-25
• 第二章 阻挡杂质带探测器器件物理基础25-41
• §2.1 BIB器件结构25-26
• §2.2 BIB器件物理模型26-40
• 2.2.1 BIB器件中载流子的统计分布26-29
• 2.2.2 BIB器件的电场分布29-33
• 2.2.3 光照时BIB器件工作原理33-40
• §2.3 本章小结40-41
• 第三章离子注入型阻挡杂质带探测器41-57
• §3.1 离子注入41-42
• §3.2 器件制备工艺42-45
• §3.3 器件性能参数测试与分析45-49
• 3.3.1 黑体响应率45-47
• 3.3.2 暗电流47-48
• 3.3.3 探测率48-49
• §3.4 光电流谱49-56
• 3.4.1 傅里叶红外光谱仪49-50
• 3.4.2 光电流响应谱测量原理50-52
• 3.4.3 微弱信号提取技巧52-53
• 3.4.4 光电流谱指认53-56
• §3.5 本章小结56-57
• 第四章外延型阻挡杂质带红外探测器57-73
• §4.1 硅的外延57-58
• §4.2 材料生长58-59
• §4.3 器件工艺59-60
• §4.4 器件测试与分析60-68
• 4.4.1 黑体响应率及噪声60-61
• 4.4.2 光电流响应谱61-63
• 4.4.3 暗电流63-65
• 4.4.4 探测率65-68
• §4.5 补偿杂质浓度的提取68-72
• §4.6 本章小结72-73
• 第五章阻挡杂质带探测器中的界面势垒效应73-87
• §5.1 器件结构和测试手段73-74
• §5.2 界面势垒的证明74-78
• 5.2.1 界面势垒的提出74-76
• 5.2.2 界面势垒的实验证据76-78
• §5.3 双激发工作模型78-81
• §5.4 拓展模式的隧穿特性和热离化特性81-83
• §5.5 界面势垒效应对器件性能的影响83-85
• §5.6 本章小结85-87
• 第六章总结与展望87-91
• §6.1 本论文工作总结87-88
• §6.2 不足与展望88-91
• 6.2.1 工作中的不足88-89
• 6.2.2 展望89-91
• 参考文献91-101
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果101-102

【参考文献】

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1 王术军,叶彬浔,何香涛;红外天文观测技术进展[J];北京师范大学学报(自然科学版);2005年03期

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本文编号：738381