本文關(guān)鍵詞：硅基阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器研制及其光電特性研究

  更多相關(guān)文章： 阻擋雜質(zhì)帶 遠(yuǎn)紅外探測 太赫茲探測 離子注入 光電流譜 暗電流 界面勢壘 響應(yīng)拓展

【摘要】：紅外探測技術(shù)在信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中正扮演著愈來愈重要的角色,而紅外探測器技術(shù)又在紅外探測技術(shù)中居于核心地位。阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器,具有覆蓋波段寬、靈敏度高、響應(yīng)速度快以及抗輻射性能高等優(yōu)點(diǎn),是紅外天文應(yīng)用中探測波長λ5 μm的首選紅外探測器。對這一探測器的研究將在很大程度上推動(dòng)我國長波紅外探測器技術(shù)的發(fā)展。本論文工作圍繞阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器的制備及其性能提升,從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了器件的探測機(jī)理、光電特性和特征參數(shù)對器件性能的影響,為我國在λ20 μm波段紅外探測器的發(fā)展提供基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及模型。1.基于器件的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立了實(shí)用的阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器物理模型。對器件中載流子分布、電場分布及包括響應(yīng)率、噪聲和探測率等在內(nèi)的器件關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了研究。定量分析了材料特征參數(shù)對器件性能的影響。研究結(jié)果可用于進(jìn)一步指導(dǎo)阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。2.通過選擇性離子注入制備了橫向結(jié)構(gòu)的Si：P阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器,器件工作溫度5.5 K,工作偏壓1.0 V時(shí),響應(yīng)波段覆蓋2.5～40 pm,峰值波長27.3 pm,黑體響應(yīng)率41.2 mA/W,峰值響應(yīng)率0.8 A/W,黑體探測率7.6×109cm·Hz1/2·W-1。通過標(biāo)準(zhǔn)黑體響應(yīng)的測試獲得了器件的響應(yīng)率,發(fā)現(xiàn)低溫小偏壓下器件呈線性黑體響應(yīng)。暗電流測試研究表明,由于阻擋層的引入,正偏下暗電流得到良好抑制,暗電流密度低于104 A/cm2。通過傅立葉光譜儀對器件的光電流譜進(jìn)行測試,指認(rèn)了光電流譜的多峰和聲子吸收結(jié)構(gòu)。3.通過全外延技術(shù)路線制備了外延型阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器,器件工作溫度5.0 K,工作偏壓1.6 V時(shí),響應(yīng)波段覆蓋2.5～40 pm,峰值波長27.5 pm,峰值響應(yīng)率20.1 A/W,峰值探測率5.3×1013 cm·Hz1/2·W-1(背景光子通量低于1013 ph·cm-2·s-1),室溫背景輻射下峰值探測率5.2×1011 cm·Hz1/2.W-1。研究了低溫下(T16 K)器件工作偏壓范圍內(nèi)的暗電流起源。通過對計(jì)算結(jié)果分析,排除了該區(qū)域暗電流起源于熱激發(fā)電導(dǎo)和跳躍式電導(dǎo)的可能,指出暗電流來自器件對冷屏的光電響應(yīng),器件屬背景限探測。提出了一種基于暗場下,-V曲線的擊穿電壓提取補(bǔ)償雜質(zhì)濃度的方法。4.通過測量和分析阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器的變溫暗電流曲線及光電流響應(yīng)譜,并結(jié)合器件能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果,證明了在器件阻擋層與吸收層界面處界面勢壘的存在。在界面勢壘的基礎(chǔ)上,提出了阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器的雙激發(fā)工作模式,即光生載流子直接越過界面勢壘被電極收集的基本模式,和光生載流子先熱弛豫到導(dǎo)帶底然后通過隧穿或熱離化的方式逃逸出界面勢壘被電極收集的拓展模式。該模型很好地解釋了光電流響應(yīng)譜隨工作偏壓增大向長波方向拓展的光譜特性,揭示了在阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器中拓展模式對于進(jìn)一步拓展探測器探測波長的可行性。闡明了雙激發(fā)模型中拓展模式的輸運(yùn)特性,包括隧穿特性和熱離化特性。計(jì)算并討論了界面勢壘效應(yīng)對器件量子效率,響應(yīng)率與探測率的影響。研究結(jié)果表面,引入界面勢壘效應(yīng)之后,理論計(jì)算的峰值響應(yīng)率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。研究結(jié)果為更加深入地理解阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器工作原理及后續(xù)器件優(yōu)化提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)方案。
【關(guān)鍵詞】：阻擋雜質(zhì)帶 遠(yuǎn)紅外探測 太赫茲探測 離子注入 光電流譜 暗電流 界面勢壘 響應(yīng)拓展
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN215
【目錄】：

• 致謝4-6
• 中文摘要6-8
• Abstract8-13
• 第一章 緒論13-25
• §1.1 紅外天文學(xué)發(fā)展概述13-15
• §1.2 天文用紅外探測器概述15-19
• §1.3 阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器概述19-23
• 1.3.1 非本征紅外探測器19-21
• 1.3.2 非本征紅外探測器的升級(jí)21-23
• §1.4 本論文的研究目的和主要內(nèi)容23-25
• 第二章 阻擋雜質(zhì)帶探測器器件物理基礎(chǔ)25-41
• §2.1 BIB器件結(jié)構(gòu)25-26
• §2.2 BIB器件物理模型26-40
• 2.2.1 BIB器件中載流子的統(tǒng)計(jì)分布26-29
• 2.2.2 BIB器件的電場分布29-33
• 2.2.3 光照時(shí)BIB器件工作原理33-40
• §2.3 本章小結(jié)40-41
• 第三章離子注入型阻擋雜質(zhì)帶探測器41-57
• §3.1 離子注入41-42
• §3.2 器件制備工藝42-45
• §3.3 器件性能參數(shù)測試與分析45-49
• 3.3.1 黑體響應(yīng)率45-47
• 3.3.2 暗電流47-48
• 3.3.3 探測率48-49
• §3.4 光電流譜49-56
• 3.4.1 傅里葉紅外光譜儀49-50
• 3.4.2 光電流響應(yīng)譜測量原理50-52
• 3.4.3 微弱信號(hào)提取技巧52-53
• 3.4.4 光電流譜指認(rèn)53-56
• §3.5 本章小結(jié)56-57
• 第四章外延型阻擋雜質(zhì)帶紅外探測器57-73
• §4.1 硅的外延57-58
• §4.2 材料生長58-59
• §4.3 器件工藝59-60
• §4.4 器件測試與分析60-68
• 4.4.1 黑體響應(yīng)率及噪聲60-61
• 4.4.2 光電流響應(yīng)譜61-63
• 4.4.3 暗電流63-65
• 4.4.4 探測率65-68
• §4.5 補(bǔ)償雜質(zhì)濃度的提取68-72
• §4.6 本章小結(jié)72-73
• 第五章阻擋雜質(zhì)帶探測器中的界面勢壘效應(yīng)73-87
• §5.1 器件結(jié)構(gòu)和測試手段73-74
• §5.2 界面勢壘的證明74-78
• 5.2.1 界面勢壘的提出74-76
• 5.2.2 界面勢壘的實(shí)驗(yàn)證據(jù)76-78
• §5.3 雙激發(fā)工作模型78-81
• §5.4 拓展模式的隧穿特性和熱離化特性81-83
• §5.5 界面勢壘效應(yīng)對器件性能的影響83-85
• §5.6 本章小結(jié)85-87
• 第六章總結(jié)與展望87-91
• §6.1 本論文工作總結(jié)87-88
• §6.2 不足與展望88-91
• 6.2.1 工作中的不足88-89
• 6.2.2 展望89-91
• 參考文獻(xiàn)91-101
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果101-102

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 王術(shù)軍,葉彬潯,何香濤;紅外天文觀測技術(shù)進(jìn)展[J];北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年03期

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本文編號(hào)：738381