本文對新型人工光子微結構Hg Cd Te中長波焦平面紅外探測器進行了數(shù)值模擬和理論分析。通過揭示人工微結構的設計對器件性能的影響,明確了光場操控對提高Hg Cd Te器件性能的重大意義,為改進或優(yōu)化Hg Cd Te紅外探測器件的制備工藝過程提供了可靠的判斷依據(jù),為Hg Cd Te紅外探測器件工程化應用提供了基礎指導。通過引入人工光子微結構,可以在維持原有探測率不變的前提下顯著降低暗電流帶來的探測噪聲,從而提高器件性能。研究結果將為提高第三代Hg Cd Te焦平面紅外探測器性能提供理論和技術支持。首先,成功地在二維及三維模擬中將時域有限差分方法（FDTD）計算所得的光場耦合入有限元（FEM）數(shù)值計算半導體器件模擬中。利用關聯(lián)后的時域有限差分和有限元數(shù)值器件模擬方法,結合金屬色散模型、電導率吸收模型、擴散漂移模型、泊松方程、電流連續(xù)性方程等,對不同尺寸的臺柱結構器件進行了二維“光學”和“電學”模擬、對不同尺寸的金屬柵-介質-金屬結構器件進行了三維“光學”和“電學”模擬,計算得到了器件的吸收譜、光響應譜、暗電流及電場分布特性。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維持較... 

【文章來源】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)上海市

【文章頁數(shù)】：85 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

各種成像與存儲元器件的集成度變化歷史

在紅外探測器領域，HgCdTe 依然是研究和應用最為廣泛的可調帶隙半導體材料。HgCdTe 紅外探測器可以根據(jù)工作原理分為光導型和光伏型[2, 3]。光導型 HgCdTe 紅外探測器工作的物理基礎是材料接受光照后的電導率變化。當能量大于禁帶寬度的紅外光子進入 HgCdTe 材料時，價帶電子吸收了光子能量，而躍遷到導帶，于是在價帶中留下非平衡空穴、在導帶中產生非平衡電子，促使器件的電導率發(fā)生變化，且電導率改變量與入射的紅外光子通量有關，這種電學特性隨外部光照條件改變的現(xiàn)象可以用于紅外探測。光伏型 HgCdTe 紅外探測器工作的物理基礎是 pn 結。通過對 HgCdTe 材料摻雜形成 p 型半導體和n 型半導體來制備成 pn 結，然后當紅外輻射在結區(qū)被吸收后，會被激發(fā)產生非平衡電子和空穴。這些非平衡電子和空穴或直接在 pn 結中產生，或在 p 區(qū)、n區(qū)產生而擴散到 pn 結中，并在 pn 結的內建電場中發(fā)生漂移運動，從而改變空間電場分布，產生光伏效應，若此時將器件連接在回路中，則會對外電路貢獻光電流。于是可以通過探測這種光伏效應產生的光電流來探測紅外信號。

因此它們在導彈預警與制導，精確打擊，空中監(jiān)視，目標探測、識別、搜索與追蹤、熱成像、導航輔助和夜間觀測等一系列領域有著重大應用。同時，在地球和行星遠距離成像等天文應用領域，第三代紅外成像探測器同樣扮演了重要的角色。這類第三代紅外成像探測器具有高靈敏度和非制冷工作的特點。為了追求高靈敏度而發(fā)展起來的紅外探測器主要包括（甚）長波紅外探測器、雙色（多色）紅外探測器、超光譜陣列探測器以及雪崩紅外探測器，它們具有更多的面陣像元、更快的探測幀頻、更高的溫度分辨率、多色響應、更長的探測波長、更完善的芯片集成度等特點[11-14]。而作為另一方向熱點的非制冷則對應高溫工作（HOT）紅外探測器，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]。這類探測器可廣泛應用于非制冷熱成像系統(tǒng)。非制冷熱成像系統(tǒng)最初由美國的防務公司發(fā)展并應用于軍事，現(xiàn)已在民用的紅外監(jiān)控、自動駕駛和熱敏成像等領域具有巨大的商業(yè)市場前景，如圖 1.3 所示。

【參考文獻】：
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構[J]. 劉波,陳鴻,顧牡,易亞沙.  物理. 2014(04)



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