【摘要】：紅外探測和太赫茲波探測技術(shù),在軍事、天文及成像領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。阻擋雜質(zhì)帶(Blocked impurity band,BIB)探測器,因為具有響應(yīng)波段寬、響應(yīng)率高、響應(yīng)速度快、易于大規(guī)模制備及方便讀出等優(yōu)點,已經(jīng)在過去三十年中成為國外天文領(lǐng)域中首選的覆蓋中紅外至太赫茲波段的紅外探測器。因為應(yīng)用領(lǐng)域的敏感,國外對中國的紅外探測技術(shù)一直處于封鎖階段。而國內(nèi)對BIB探測器的研究尚處于起步階段,在很大程度上限制了我國天文航空事業(yè)的發(fā)展。因此,我們亟需系統(tǒng)性地研究探索BIB探測器。本論文工作主要是關(guān)于BIB探測器的制備及其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,從實驗和模擬兩方面研究了器件制備、光電特性及表面等離激元對于器件性能的影響,為硅(Si)基以及其他材料體系的BIB探測器的發(fā)展和優(yōu)化提供了參考和依據(jù)。本研究工作取得了以下幾個方面的創(chuàng)新成果:1.通過離子注入的方式將高濃度的砷(As)摻入高阻單晶硅Si,并經(jīng)過快速退火處理(RTA),獲得了厚度100～200nm、表面晶格結(jié)構(gòu)有序、具有優(yōu)異電學性能的Si:As掩埋電極層,適合用作Si基紅外探測器的背電極。我們使用HRTEM和EDX系統(tǒng)性的研究了離子注入樣品中的投影射程(ProjectRange,PR)型缺陷的演化過程。由實驗結(jié)果得出這種缺陷也是一種由As原子聚集而成的二次缺陷。并得出隨著退火溫度的上升,PR缺陷會融合附近尺寸較小的PR缺陷而長大。EDX和電化學電容-電壓(ECV)結(jié)果表明SiO_2/Si界面在As去失活的過程中扮演重要角色。2.我們詳細地測量了 BIB探測器在不同偏壓下的響應(yīng),即正常工作模式(conventional operation mode,COM)和反常工作模式(alternate operating mode, AOM)。結(jié)果表明,工作偏壓2.0V時,BIB探測器在AOM模式下有著更強的響應(yīng),并且在小偏壓時(1.2V),其響應(yīng)光譜相較COM模式下的響應(yīng)范圍更廣,覆蓋了 3～35μm的范圍,而COM模式下的光譜在31μm處即截止。同時我們分析了 AOM下暗電流的起因,為器件的進一步優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。3.為改進THz BIB探測器性能,我們制備了前入射式器件和背入射式器件來系統(tǒng)的研究體等離子效應(yīng)對于THz探測的影響。通過詳細的表征,我們發(fā)現(xiàn),由于掩埋背電極的等離子效應(yīng),在波長大于25μm之后,入射光幾乎被全反射,導(dǎo)致器件在此波段幾乎無響應(yīng)。這一實驗結(jié)果助于改進背入射式器件的設(shè)計及性能。4.首次將二維孔狀陣列(two-dimensional hole arrays,2DHA的表面等離激元(surface plasmon polariton,SPP)耦合結(jié)構(gòu)引入外延型BIB探測器的設(shè)計中。BIB參考探測器的光譜響應(yīng)覆蓋15～35μm,在將2DHA結(jié)構(gòu)與BIB探測器集成之后,探測器的光譜獲得顯著的調(diào)制效果。共振波長之外的響應(yīng)強度被明顯抑制,推動了 BIBTHz多色探測器的發(fā)展。5.第一次將2DHA結(jié)構(gòu)引入離子注入型BIB探測器的設(shè)計中。BIB參考探測器的光電響應(yīng)覆蓋15～31μm,在將2DHA結(jié)構(gòu)與BIB探測器集成之后,探測器的響應(yīng)在共振波長處獲得25%-35%的增強,探測器的帶邊響應(yīng)(30.7μm)獲得8倍的增強。通過FDTD模擬得出,在2DHA結(jié)構(gòu)附近,存在強度高達3倍于入射場強的局域電場,共振波長的增強效果來自于表面等離子極化激元與入射光的近場耦合。而帶邊響應(yīng)的增強來自于局域電場引起的Franz-Keldysh效應(yīng)。我們在表面等離激元增強探測器上的工作為BIB探測器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與性能改進奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN215

【參考文獻】

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本文編號：2463882