碲镉汞半导体材料以其优良的光电特性,自问世以来就成为制备高性能红外探测器的重要材料。随着第三代碲镉汞红外探测器技术的快速发展,低成本大规模焦平面芯片的制备需要更稳定的工艺过程和更高芯片良品率,并且在航天遥感应用中,复杂的空间应用环境也对碲镉汞光伏探测器芯片的可靠性提出了更高的要求。不论是工艺过程监控、器件工艺改进还是芯片失效分析都要建立在探测器芯片各部分结构质量的准确表征的基础上,同时需要定量化的参数分析方法,从多批次的测试结果中统计分析芯片各部分性能的变化趋势,为器件工艺的持续改进、器件可靠性与稳定性的提高提供有效的评价方法与定量化的分析手段。然而通常使用的微电子集成测试结构的物理模型、实验数据分析方法是基于硅基器件特性建立的,并没有考虑碲镉汞光伏器件自身的独特性质(禁带宽度窄、载流子易简并等)。本文针对影响碲镉汞器件性能及长期可靠性的常见因素——表面漏电流、碲镉汞-钝化层界面状态及金属-碲镉汞接触,研究了栅控二极管、MIS电容器以及传输线测试结构,提出了相应的物理模型与数据分析方法,为这些测试结构在大规模碲镉汞红外探测器芯片中的应用奠定理论基础。其主要研究内容如下:1.碲镉汞栅控二极管与表面漏电机制。本文利用栅控二极管结构研究了表面势对碲镉汞光伏器件动态阻抗和暗电流的影响。提出了不同机制表面漏电的理论模型:表面积累时,用适当修正的隧穿电流模型来描述表面隧穿电流;表面强反型形成沟道时,利用传输线模型建立了表面沟道电流模型。通过选取适当的表面参数——平带电压VFB、表面缺陷密度Nst和沟道载流子迁移率μc,上述模型能够较好的描述中波碲镉汞光伏器件的优值因子R0A和暗电流与表面势的关系。实验结果表明本文所提出的表面漏电流模型能够比较好的描述和定量表征器件表面漏电特性,为进一步改进器件工艺提供了依据。2.金属-绝缘层-碲镉汞(MIS)器件电容理论与界面特性表征技术。针对碲镉汞材料的特点,建立包含导带非抛物和载流子简并效应的泊松方程,并利用数值方法得到了碲镉汞MIS器件高、低频理想C-V曲线;总结了各种影响碲镉汞MIS器件理想高低频C-V曲线的因素;讨论了碲镉汞MIS器件中高频C-V曲线的最小值与表面处理等工艺密切相关的事实,提出了一种等效高频界面陷阱电荷模型来描述这一实验现象,修正了用于提取界面态密度的理想高频C-V曲线,使得提取的界面态密度的大小和在禁带宽度内的分布更加合理。该理论和数值分析方法成功的应用于同批次MIS器件性能的监控和不同工艺对MIS器件的影响。实验测得Cd Te/Zn S双层钝化MIS器件的各项物理参数为:绝缘层固定电荷密度,绝缘层陷阱电荷密度,界面陷阱密度在能带中的最小值,等效高频界面陷阱密度。3.非线性金属-半导体接触表征技术。结合金属-半导体接触的电流输运特性,综合考虑了电流的聚集效应和金半接触的整流效应,提出了非线性传输线模型;以热电子发射为例,系统讨论了非线性传输线模型描述的电极IV特性;分析了非线性传输线模型与线性传输线模型中电流传输长度的不同,新模型中的电流传输长度Ltg与流入电流相关,能够更合理的描述电流在电极下的聚集效用,为碲镉汞焦平面芯片的设计提供了指导。利用非线性传输线模型和相应的数据分析方法研究了Au/Sn/p-Hg Cd Te接触的电学特性,得到了相关物理参量:肖特基势垒高度、理想因子n=1.45、欧姆特性接触电阻、电极下半导体薄膜电阻,电流传输长度Ltg在8~11μm之间并与流入电流有关。4.钝化层电阻率测试方法研究。利用MIS结构研究了电子束蒸发制备的Cd Te/Zn S钝化层电流-电压特性和电阻率,其中高阻抗的栅电极占总数的62.5%,电阻率在之间。另外,本文利用镜像电荷法模拟了四探针测试材料中的电势场分布,分析了有限尺寸的探针对测量精度的影响。模拟结果指出,在无限厚材料上,常用的计算方法只有在探针间距与探针直径的比值大于3的时候才能得到准确的材料电阻率(相对误差小于1%);在有限厚材料上,由近似公式引入的误差远大于探针尺寸引入的误差,在需要精确计算材料电阻率的情况下需要通过数值模拟精确分析。该研究结果为四探针法在微区钝化层电阻率测试上的应用奠定了良好的基础。