新型碲镉汞红外探测器载流子输运机理研究

摘要

随着红外技术应用需求的不断提高，研发具有低成本、低噪声、高灵敏度、高温工作、甚长波探测等特征的新一代高性能碲镉汞（HgCdTe）红外焦平面器件及其检测技术是红外技术发展的制高点，其中包括：高精密的激光束诱导电流检测技术；高灵敏的雪崩探测器；甚长波探测器；高温工作探测器。本文从理论和实验上对显微激光束诱导电流（LBIC）检测技术、HgCdTe电子雪崩探测器、长波探测器，以及高温工作探测器展开了研究，旨在为新一代 HgCdTe红外焦平面器件的研发提供一定的基础理论指导和技术支持。具体研究内容和成果如下：
　　1、搭建了高分辨率的LBIC变温检测平台，精细测量了低温和室温条件下B+离子注入成结的中波HgCdTe光伏器件的LBIC信号，成功地观测到了光敏单元结区电学性质随温度的变化特征和有效光敏尺寸扩展效应的消失现象。建立了中波HgCdTe光伏器件的p-n结转换模型，并进行了数值模拟。研究表明：B+离子注入缺陷和Hg原子的填隙扩散共同造成了pn结与温度相关的转换特性；相对于长波器件，p型中波HgCdTe材料具有较宽的带隙和较弱的高温混合电导效应，造成了有效光敏尺寸扩展效应的消失。
　　2、开展了飞秒脉冲激光对Hg空位掺杂p型HgCdTe材料的打孔实验，并对孔洞结构进行了低温和室温条件下的LBIC变温检测。检测结果表明，孔洞结构表现出pn结特性，且LBIC曲线分布依赖于检测温度。结合p型HgCdTe材料的霍尔系数测量实验，建立了打孔样品与激光刻蚀缺陷相关的p-n结转换理论模型，并进行了数值模拟验证。研究结果表明：脉冲激光打孔使得材料表面的电学性质发生了转变，呈现了与温度相关的pn结转换特性；对温度敏感的刻蚀陷阱效应和混合电导效应造成了打孔样品电学性质和pn结类型的变化，是导致室温下激光刻蚀区LBIC信号异常反转的主要原因。
　　3、基于Okuto–Crowell雪崩模型，考虑到载流子的多种产生-复合机制（如间接复合、辐射复合、俄歇复合、陷阱辅助隧穿效应、带带隧穿效应），建立了平面p-i-n结构的HgCdTe电子雪崩器件有效物理模型，仿真电流-电压（I-V）特征曲线与文献报道实验数据非常吻合，验证了模型的准确性。暗电流输运机制研究表明，带带隧穿效应和雪崩效应是器件在高反偏压阶段的主导暗电流机制。器件结构优化结果表明，通过改善结区电场分布的均匀性，如消除尖锐的结区拐角、雪崩区轻掺杂和厚度适中，能够有效地抑制带带隧穿效应，提高器件性能。揭示了工艺中雪崩i区掺杂浓度过高是造成器件性能不理想和不受i区厚度影响的内在机理。
　　4、系统研究了长波Hg1-xCdxTe（x≈0.219）阵列探测器的变温和变面积电学特性。零偏电阻面积积（R0A）与周长面积比值（P/A）的实验特征曲线表明，表面漏电流依然是限制器件整体性能的主要原因。建立了长波HgCdTe器件物理模型，变温I-V曲线的实验和仿真结果表明，50K时陷阱辅助隧穿效应主导的暗电流机制是造成长波阵列探测器非均匀性的主要原因。通过仿真数据提取了器件的表面复合速率S0≈2.5×104cm/s和陷阱浓度范围1013~1014cm-3。
　　5、基于能带工程设计了PBπn型HgCdTe长波红外探测器，并进行了初步的实验验证。对PBπn器件和传统pn结光伏器件的光谱响应曲线、1/R0A～1000/T曲线和暗电流I-V曲线进行了数值仿真计算和对比研究。研究结果表明，PBπn器件整体性能相对于传统光伏器件有了较大的提升。PBπn独特的能带势垒结构能够在降低暗电流的同时，有效提高光谱响应率。此外，当温度高于215K时，PBπn器件能够有效抑制俄歇漏电流，有望应用于高温工作器件领域。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 红外探测技术简介

1.2 碲镉汞红外探测器的研究背景

1.3 碲镉汞红外探测技术的发展前沿

1.4 本文的工作内容与框架

第二章 碲镉汞探测器的基本理论与模拟仿真方法

2.1 碲镉汞器件漏电流的基本理论

2.2 器件仿真模型及方法

2.3 本章小结

第三章 基于激光束电流显微技术的碲镉汞光伏器件性能表征

3.1 LBIC的基本原理

3.2 高精度LBIC平台的搭建

3.3 LBIC对碲镉汞光伏器件性能的表征和研究

3.4 本章总结

第四章 碲镉汞电子雪崩器件的载流子输运特性研究

4.1 碲镉汞电子雪崩器件的理论模拟和优化

4.2 实验结果和分析

4.3 本章小结

第五章 高性能长波碲镉汞器件的载流子输运特性研究

5.1 长波碲镉汞器件的研究背景

5.2 长波碲镉汞器件的电学特性与微观机理研究

5.3 基于能带工程PBπn型长波器件的设计和机理研究

5.4 本章小结

第六章 全文总结

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 不足与展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果