發(fā)布時(shí)間：2021-12-02 14:37

　　本文對(duì)新型人工光子微結(jié)構(gòu)Hg Cd Te中長(zhǎng)波焦平面紅外探測(cè)器進(jìn)行了數(shù)值模擬和理論分析。通過揭示人工微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)器件性能的影響,明確了光場(chǎng)操控對(duì)提高Hg Cd Te器件性能的重大意義,為改進(jìn)或優(yōu)化Hg Cd Te紅外探測(cè)器件的制備工藝過程提供了可靠的判斷依據(jù),為Hg Cd Te紅外探測(cè)器件工程化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)指導(dǎo)。通過引入人工光子微結(jié)構(gòu),可以在維持原有探測(cè)率不變的前提下顯著降低暗電流帶來的探測(cè)噪聲,從而提高器件性能。研究結(jié)果將為提高第三代Hg Cd Te焦平面紅外探測(cè)器性能提供理論和技術(shù)支持。首先,成功地在二維及三維模擬中將時(shí)域有限差分方法（FDTD）計(jì)算所得的光場(chǎng)耦合入有限元（FEM）數(shù)值計(jì)算半導(dǎo)體器件模擬中。利用關(guān)聯(lián)后的時(shí)域有限差分和有限元數(shù)值器件模擬方法,結(jié)合金屬色散模型、電導(dǎo)率吸收模型、擴(kuò)散漂移模型、泊松方程、電流連續(xù)性方程等,對(duì)不同尺寸的臺(tái)柱結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了二維“光學(xué)”和“電學(xué)”模擬、對(duì)不同尺寸的金屬柵-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)器件進(jìn)行了三維“光學(xué)”和“電學(xué)”模擬,計(jì)算得到了器件的吸收譜、光響應(yīng)譜、暗電流及電場(chǎng)分布特性。通過分析暗電流和量子效率變化,獲得了最大程度減小暗電流的同時(shí)維持較... 

【文章來源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)上海市

【文章頁(yè)數(shù)】：85 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

各種成像與存儲(chǔ)元器件的集成度變化歷史

在紅外探測(cè)器領(lǐng)域，HgCdTe 依然是研究和應(yīng)用最為廣泛的可調(diào)帶隙半導(dǎo)體材料。HgCdTe 紅外探測(cè)器可以根據(jù)工作原理分為光導(dǎo)型和光伏型[2, 3]。光導(dǎo)型 HgCdTe 紅外探測(cè)器工作的物理基礎(chǔ)是材料接受光照后的電導(dǎo)率變化。當(dāng)能量大于禁帶寬度的紅外光子進(jìn)入 HgCdTe 材料時(shí)，價(jià)帶電子吸收了光子能量，而躍遷到導(dǎo)帶，于是在價(jià)帶中留下非平衡空穴、在導(dǎo)帶中產(chǎn)生非平衡電子，促使器件的電導(dǎo)率發(fā)生變化，且電導(dǎo)率改變量與入射的紅外光子通量有關(guān)，這種電學(xué)特性隨外部光照條件改變的現(xiàn)象可以用于紅外探測(cè)。光伏型 HgCdTe 紅外探測(cè)器工作的物理基礎(chǔ)是 pn 結(jié)。通過對(duì) HgCdTe 材料摻雜形成 p 型半導(dǎo)體和n 型半導(dǎo)體來制備成 pn 結(jié)，然后當(dāng)紅外輻射在結(jié)區(qū)被吸收后，會(huì)被激發(fā)產(chǎn)生非平衡電子和空穴。這些非平衡電子和空穴或直接在 pn 結(jié)中產(chǎn)生，或在 p 區(qū)、n區(qū)產(chǎn)生而擴(kuò)散到 pn 結(jié)中，并在 pn 結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)中發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，從而改變空間電場(chǎng)分布，產(chǎn)生光伏效應(yīng)，若此時(shí)將器件連接在回路中，則會(huì)對(duì)外電路貢獻(xiàn)光電流。于是可以通過探測(cè)這種光伏效應(yīng)產(chǎn)生的光電流來探測(cè)紅外信號(hào)。

因此它們?cè)趯?dǎo)彈預(yù)警與制導(dǎo)，精確打擊，空中監(jiān)視，目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別、搜索與追蹤、熱成像、導(dǎo)航輔助和夜間觀測(cè)等一系列領(lǐng)域有著重大應(yīng)用。同時(shí)，在地球和行星遠(yuǎn)距離成像等天文應(yīng)用領(lǐng)域，第三代紅外成像探測(cè)器同樣扮演了重要的角色。這類第三代紅外成像探測(cè)器具有高靈敏度和非制冷工作的特點(diǎn)。為了追求高靈敏度而發(fā)展起來的紅外探測(cè)器主要包括（甚）長(zhǎng)波紅外探測(cè)器、雙色（多色）紅外探測(cè)器、超光譜陣列探測(cè)器以及雪崩紅外探測(cè)器，它們具有更多的面陣像元、更快的探測(cè)幀頻、更高的溫度分辨率、多色響應(yīng)、更長(zhǎng)的探測(cè)波長(zhǎng)、更完善的芯片集成度等特點(diǎn)[11-14]。而作為另一方向熱點(diǎn)的非制冷則對(duì)應(yīng)高溫工作（HOT）紅外探測(cè)器，通過盡可能地提高工作溫度以降低系統(tǒng)的成本、尺寸、重量和能耗[16, 17]。這類探測(cè)器可廣泛應(yīng)用于非制冷熱成像系統(tǒng)。非制冷熱成像系統(tǒng)最初由美國(guó)的防務(wù)公司發(fā)展并應(yīng)用于軍事，現(xiàn)已在民用的紅外監(jiān)控、自動(dòng)駕駛和熱敏成像等領(lǐng)域具有巨大的商業(yè)市場(chǎng)前景，如圖 1.3 所示。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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]閃爍體與光子人工微結(jié)構(gòu)[J]. 劉波,陳鴻,顧牡,易亞沙.  物理. 2014(04)



本文編號(hào)：3528641