碲镉汞光伏型探测器的激光束诱导电流谱研究

【摘要】红外辐射是一种不可见的辐射,它的本质是介于可见光和微波之间的电磁波。目标红外辐射信号的强弱可以由红外探测器将辐射信号转换成电信号进行测量,探测器的探测效果与其自身光电特性有关。窄禁带半导体材料碲镉汞(HgCdTe)是最优选的红外探测器材料之一。HgCdTe在红外探测领域所处的地位好比Si在微电子领域中的地位一样,不可替代。然而,人们对HgCdTe材料特性的了解还不是特别清晰。目前,HgCdTe红外探测器不断向高集成度、多色的焦平面阵列发展,但获得大面阵、高质量的焦平面阵列依然存在诸多困难。在器件制备的早期工艺过程中及时对器件性能进行检测和表征,有益于改进工艺,提高器件的性能。对HgCdTe红外光伏探测器来说,直接的电学接触会损伤探测器中的p-n结单元。激光束诱导电流(LBIC)方法是一种无损伤的、高分辨率的光学表征手段被广泛地用于HgCdTe材料及器件的检测中。本文将LBIC方法和数值模拟方法相结合对HgCdTe光伏探测器的光电特性进行了研究,主要内容如下：(1)对n+-on-p型HgCdTe光伏型红外探测器变温过程中LBIC谱进行了研究,发现测得的HgCdTe器件的LBIC谱存在不对称分布现象,随温度改变器件LBIC谱的对称性也发生变化。在170K以下随温度增加,LBIC谱趋于不对称；在170K以上随温度增加,LBIC谱趋于对称。采用漏电流模型解释了LBIC谱出现不对称分布的原因。存在结漏电流的HgCdTe光伏探测器,其LBIC谱会偏离理想的对称分布。当漏电流在横向结中心左侧时,LBIC线形沿y轴正方向偏移；当漏电流在横向结中心右侧时,LBIC谱沿y轴负方向偏移。而且,漏电流越远离结的中心,偏移量越大。分析了影响器件LBIC谱对称性的主要机理,研究发现在170K以下陷阱辅助隧穿电流占据主导地位,漏电流随温度增加而增加；然而,在170K以上扩散电流占据着主导地位,漏电流随温度增加而减小。(2)研究了n+-on-p型理想HgCdTe光伏探测器的LBIC谱与p-n结几何结构(结深和结长)的依赖关系,提取了p区电子扩散长度。发现HgCdTe器件的LBIC谱对结深依赖关系的模拟结果和实验结果吻合很好。HgCdTe光伏型探测器的LBIC信号对p-n结的结深和结长的变化比较敏感,LBIC信号的峰值随结深和结长的增加均几乎呈现线性增加关系。而且,随结深的增加n型区域中的LBIC谱更加平缓。提出了横向电流(外电路电流)和纵向电流(内部循环电流)的竞争模型解释了结深和结长对LBIC分布特性的影响。对于结深较大的HgCdTe红外探测器,光照发生在n型区域时,有较多的载流子流向纵向结,在n区中形成较大的内部循环电流,LBIC信号弱。然而,当激光照在p型区域,随结深增加,光生电子能够及时地被扫进结区。光生电子空穴对的迅速分离减少了光生电子和光生空穴复合的几率和内部循环电流的形成,LBIC信号变强。结长较小的HgCdTe红外探测器中内部循环电流较大,LBIC信号弱。(3)研究了干法刻蚀p型短波HgCdTe材料后获得样品的LBIC谱。研究发现刻蚀样品的LBIC谱呈现明显的双峰和双谷现象。采用刻蚀诱导掺杂类型反转模型及台面两侧光强变化规律解释了该现象。刻蚀诱导p型]HgCdTe台面侧壁向n型转换形成的反型区和未刻蚀的p型HgCdTe台面构成的p-n结导致内侧一对峰和谷的出现。在LBIC测试中,台面这一特殊结构会改变聚焦激光的能量分布。在相对高的HgCdTe台面处,光的焦点变得发散,激光强度减弱,LBIC的值变小引起外侧的一对峰和谷的形成。改变台面侧壁附近的光强进行数值模拟并同实验得到的LBIC分布曲线进行对照,发现模拟结果与实验结果吻合很好。通过将刻蚀样品的LBIC分布与SEM图像进行对照,定量提取了刻蚀诱导的p型HgCdTe台面每一侧横向损伤反型层厚度约为2.4μm。
【作者】冯阿丽；
【导师】李广；
【作者基本信息】安徽大学，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】激光束诱导电流(LBIC)；HgCdTe材料；红外光伏探测器；数值模拟；

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