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

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【摘要】：紅外探測(cè)技術(shù)在信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中正扮演著愈來(lái)愈重要的角色,而紅外探測(cè)器技術(shù)又在紅外探測(cè)技術(shù)中居于核心地位。阻擋雜質(zhì)帶紅外探測(cè)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(cè)波長(zhǎng)λ5 μm的首選紅外探測(cè)器。對(duì)這一探測(cè)器的研究將在很大程度上推動(dòng)我國(guó)長(zhǎng)波紅外探測(cè)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(cè)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(cè)機(jī)理、光電特性和特征參數(shù)對(duì)器件性能的影響,為我國(guó)在λ20 μm波段紅外探測(cè)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(cè)器物理模型。對(duì)器件中載流子分布、電場(chǎng)分布及包括響應(yīng)率、噪聲和探測(cè)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(duì)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(cè)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。2.通過(guò)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(cè)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(zhǎng)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(cè)率7.6×109cm·Hz1/2·W-1。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)黑體響應(yīng)的測(cè)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(cè)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(guò)傅立葉光譜儀對(duì)器件的光電流譜進(jìn)行測(cè)試,指認(rèn)了光電流譜的多峰和聲子吸收結(jié)構(gòu)。3.通過(guò)全外延技術(shù)路線制備了外延型阻擋雜質(zhì)帶紅外探測(cè)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(zhǎng)27.5 pm,峰值響應(yīng)率20.1 A/W,峰值探測(cè)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(cè)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(guò)對(duì)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(lái)自器件對(duì)冷屏的光電響應(yīng),器件屬背景限探測(cè)。提出了一種基于暗場(chǎng)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(guò)測(cè)量和分析阻擋雜質(zhì)帶紅外探測(cè)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(shì)壘的存在。在界面勢(shì)壘的基礎(chǔ)上,提出了阻擋雜質(zhì)帶紅外探測(cè)器的雙激發(fā)工作模式,即光生載流子直接越過(guò)界面勢(shì)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(guò)隧穿或熱離化的方式逃逸出界面勢(shì)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(zhǎng)波方向拓展的光譜特性,揭示了在阻擋雜質(zhì)帶紅外探測(cè)器中拓展模式對(duì)于進(jìn)一步拓展探測(cè)器探測(cè)波長(zhǎng)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(shì)壘效應(yīng)對(duì)器件量子效率,響應(yīng)率與探測(cè)率的影響。研究結(jié)果表面,引入界面勢(shì)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(cè)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(cè) 太赫茲探測(cè) 離子注入 光電流譜 暗電流 界面勢(shì)壘 響應(yīng)拓展
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)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(lèi)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(cè)器概述15-19
• §1.3 阻擋雜質(zhì)帶紅外探測(cè)器概述19-23
• 1.3.1 非本征紅外探測(cè)器19-21
• 1.3.2 非本征紅外探測(cè)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器57-73
• §4.1 硅的外延57-58
• §4.2 材料生長(zhǎng)58-59
• §4.3 器件工藝59-60
• §4.4 器件測(cè)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(cè)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(cè)器中的界面勢(shì)壘效應(yīng)73-87
• §5.1 器件結(jié)構(gòu)和測(cè)試手段73-74
• §5.2 界面勢(shì)壘的證明74-78
• 5.2.1 界面勢(shì)壘的提出74-76
• 5.2.2 界面勢(shì)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(shì)壘效應(yīng)對(duì)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(jiǎn)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(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 王術(shù)軍,葉彬潯,何香濤;紅外天文觀測(cè)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