金属-半导体接触特性对碲镉汞光伏探测器性能的影响及其机理研究

随着碲镉汞光伏器件向小型化和阵列化发展，金属-半导体接触特性成为制约器件响应率等性能的重要因素。作为评估器件性能的主要手段，传统电学I-V测试法难以将器件自身pn结与金/半界面势垒形成的"类pn结"的作用加以区分，给界面势垒影响器件光电转换性能的研究带来困难。本项目利用瞬态光伏技术具有时间分辨的优点，以碲镉汞线列焦平面芯片为研究对象，区分pn结与金/半界面势垒的光伏信号，从中提取出界面势垒的光伏并分析其特征；通过界面势垒与pn结统一模型的构建，探究金/半界面势垒参数制约器件性能的因素。项目研究最终将从光电转换角度阐明金/半特性制约器件性能的机理，对电学测量研究器件性能的方法形成补充，同时提出并发展一种以瞬态光伏为核心技术的电极质量评估新方法。为碲镉汞焦平面器件的电极制备参数优化设计提供新思路和理论依据，促进碲镉汞焦平面器件研究的发展。

由金属和半导体接触构成的电极界面对半导体器件的性能起着至关重要的作用，半导体器件依靠电极进行信号的输入和输出。由于金属与半导体功函数不匹配、半导体表面效应等因素的存在，金半界面层往往呈现出非欧姆接触的特性，形成载流子势垒层或者高电阻层，在简单近似下形成一个类pn结，从而对器件的控制和信号的提取造成影响。特别是对于碲镉汞光伏探测器这类检测微弱光的探测器，电极界面的非欧姆特性直接影响了其灵敏度、优值因子、I-V特性等性能指标。随着碲镉汞探测器向小型化和阵列化发展，金半接触特性愈来愈成为制约器件性能的重要因素。尽管可以采用传统重掺杂的方式获得欧姆接触，但对于薄膜型的碲镉汞光伏器件而言，pn结两边均采用重掺杂的方式将使结隧穿电流过大。这就有必要考虑金属/碲镉汞的接触特性，对此问题的深刻理解有助于器件性能的提高。国内外学者采用了不同的方法开展了界面接触特性的研究。例如，用X射线光电子能谱法研究界面态、电学电流-电压法、电容-电压法分析界面势垒等。上述方法对于独立的金属/HgCdTe 接触研究取得了较好的效果，但HgCdTe材料性质不稳定性，在探测器制备过程中材料性质容易发生变化，单独的M/S接触测量和分析结果不一定能真实地反映焦平面器件的情况，因此需要寻找直接观察接触特性影响成品器件光电行为的方法。.在国家自然科学基金的资助下，本项目利用瞬态光伏技术具有时间和极性分辨的优点，以碲镉汞线列焦平面芯片为研究对象，开展了成品器件的金属/碲镉汞电极界面特性的研究。首先，我们研究了金/半界面对碲镉汞光伏器件瞬态光伏的影响；其次，构建了界面势垒与pn结组和的理论模型，区分了金/半界面势垒和pn结的瞬态光伏信号，从中提取出界面势垒的光伏；再次，对提取的光伏信号进行了特征分析，包括金/半界面与pn结光伏的响应时间、光伏极性、光伏峰峰值幅度、组分和温度对界面光伏的影响等问题，获得了一系列研究成果。通过统一模型的构建，探究了金/半界面势垒参数制约器件性能的因素。利用瞬态光伏技术，从光电转换角度阐明了金/半特性制约器件性能的机理，由此发展了以瞬态光伏技术为核心内容的电极质量评估的新方法、肖特基势垒高度的提取方法，以及提高器件光电效率的方法。这一研究对电学测量研究器件性能的方法形成了有益的补充，可为器件制备参数优化设计提供新思路和理论依据。