碲镉汞红外焦平面的光敏元电容特性研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:owenzikao
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碲镉汞材料在红外探测领域是一种最有发展前景的合金材料。作为窄禁带半导体,HgCdTe材料常被应用于中长波红外探测,尤其是在3-5μm和8-12μm的大气窗口光谱区,而其探测器性能也与碲镉汞光敏元电容有着密切的联系。因为碲镉汞PN结电容较小,很难测准,且之前的文献报道的碲镉汞电容只是直接给出电容大小的结果,而没有测试的过程介绍以及该电容与其他探测器电容大小的比较。相比之下,本文详细介绍了碲镉汞光敏元电容的测试方法原理,对寄生电容进行了分析和标定,并最终给出了误差分析。将本文的碲镉汞探测器电容与各类探测器电容进行了比较,还计算得到载流子浓度以及其在结区对应的深度,与剥层霍尔的实验数据相符合。本文研究聚焦于碲镉汞光敏元电容,主要研究内容如下:(1)本文报道了在液氮温度下通过杜瓦对HgCdTe器件进行电容测试的方法,标定了仪器寄生电容以及杜瓦的寄生电容,并利用该C-V测试结果计算得到PN结区附近的载流子浓度和相应的深度等数据。PN结器件1号样品零偏电压时的电容为92.8pF,电容密度5.13×104pF·cm-2,且随着反偏电压的增大,耗尽层宽度增大,导致电容减小。考虑到仪器及引线寄生电容误差,则最终的电容误差率为0.32%-0.42%。通过C-V曲线可计算得到:零偏压时PN结器件1号样品耗尽层宽度0.28μm,对应的N-区载流子浓度6.07×1015cm-3。随着向N区扩展深度Wn的增加,N区载流子浓度呈上升趋势,这也与本文的n+-n--p的器件结构相符。(2)制备了碲镉汞雪崩光电二极管(APD)器件并进行了测试分析,并将测试结果与碲镉汞PN结器件进行了对比。碲镉汞APD器件2号样品零偏电压时的电容为11.3pF,相同面积下与碲镉汞PN结器件1号样品的92.8pF相比,电容显著下降。考虑到仪器及引线寄生电容误差,最终的电容误差率为2.65%-3.31%。通过C-V曲线可计算得到:零偏压时APD器件2号样品耗尽层宽度2.33μm,对应的N-区载流子浓度3.47×1014cm-3。将PN结器件跟APD器件相对比,APD的耗尽层宽度远大于PN结器件,说明退火可以展宽耗尽层。而APD器件的N区载流子浓度则较低,也说明了退火可以使得汞填隙扩散而导致N区载流子浓度降低。(3)制备了不同退火条件的碲镉汞APD器件并对测试结果进行了对比。实验结果表明:退火可以使APD的耗尽层展宽,从而得到更小的结电容,且适当延长退火时间,其结电容越小,N区载流子浓度也越小。通过仪器测试C-V曲线并通过计算便可得到载流子浓度以及对应的结区深度,与传统的剥层霍尔实验相比,更为简单便捷,在实际的科研中会有较好的意义(例如利用载流子浓度以及耗尽层宽度来计算APD器件的增益电压曲线等)。
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