基于能带剪裁的单极型HgCdTe高温红外探测器结构研究

HgCdTe infrared focal plane array detectors has been widely used in classified weapons platforms infrared system, but the high dark current and low operating temperature is restricting the development of the common problems. In a theoretical study,the project is performed based on the bandgap-engineered unipolar HgCdTe NBN structure in order to improve the performance of the device and the operating temperature.Compared with the traditional PN-type devices, an important advantage is that it can eliminate the SRH generate composite current and the surface current of the junction areas by bandgap-engineered desigh, while avoiding the bottleneck of the As doped PN junction which is formed activated low significance to suppress the dark current and to improve the photoelectric efficiency, thereby improving the performance of the device and the operating temperature. The project intends to design the HgCdTe NBN structure through theoretical study, analyze the possible impact of different barrier layer on the carrier transport, quantum efficiency; theoretical and experimental combination of comparative the NBN structure and the traditional n-on-p and p-on the the HgCdTe device performance of the pros and cons of the-n structure; optimize the structure, the band gap gradient structure proposed to introduce into HgCdTe NBN; validation type device will be researched. It will be performed for the ultimate high-temperature high-performance HgCdTe IRFPA principle and experimental exploration.

HgCdTe红外焦平面探测器在分类武器平台红外系统中得到了广泛应用，但偏高的暗电流和较低的工作温度是制约其发展的共性问题。为了提高器件性能和工作温度，本项目基于能带剪裁的单极型HgCdTe NBN结构开展理论研究，与传统的P-N型器件相比，其重要优势在于可以通过能带工程设计直接消除SRH产生复合电流和结区表面电流，同时避开As掺杂形成P-N结的激活率低等瓶颈，对抑制暗电流和提高光电效率具有重要意义，从而提高器件性能和工作温度。本项目拟通过理论研究设计HgCdTe NBN结构，分析不同势垒层对载流子输运、量子效率可能产生的影响；理论计算与实验相结合对比NBN结构与传统n-on-p及p-on-n结构的HgCdTe器件性能优劣；优化结构，提出将禁带宽度渐变结构引入HgCdTe NBN的构想并进行理论研究;验证型器件研究。为最终获得高温高性能HgCdTe红外焦平面器件进行原理与实验探索。

常规结构的HgCdTe材料都面临着P型掺杂的问题。不管是Hg空位掺杂还是As掺杂，由于其各自的局限性大大的限制了HgCdTe器件的发展。一种单极性的新型HgCdTe结构——N型HgCdTe NBN结构——被美国密西更大学Anne等人提出，能从另一个方向获得高性能的HgCdTe器件。.本项目通过2维数值模拟对HgCdTe nBn红外探测器的光电性质进行了研究。理论计算了nBn结构中各层的参数的变化（包含厚度的变化、掺杂浓度的变化以及组分）对器件性能的影响规律。通过优化上述器件结构参数，理论上获得了最优化结构的HgCdTe NBN器件，为获得高性能MBE外延HgCdTe nBn红外探测器提供重要参考。进一步的在常规的NBN结构中引入线形渐变的能带结构，研究获得了线性渐变的能带结构和HgCdTe 常规NBN突变结结构的相结合的新结构设计。根据实际情况（材料生长以及器件制备需求），完成长波HgCdTe NBN验证型器件的结构设计。完成了验证型器件结构的材料生长；生长后材料性能研究和分析。研究适用于NBN结构的改进器件工艺进行器件制备，并获得制备后的验证器件；由此，在验证器件的后续性能测试和分析结果下，对HgCdTe NBN结构进行进一步的改进，获得改进后的替代方案。新的HgCdTe NBN结构改进替代方案的提出，结合实际的原生材料性质，考虑采用补偿掺杂和改进的结构设计。此方案采用较高掺杂浓度的In来对原生Hg空位进行补偿，以达到N型。我们同时改进前述的NBN线性结构，其实其已经成为了NPN结构，但考虑到势垒层的厚度将使其成为中性区，实际应用时依然为NBN形态。.相关的理论计算和模型分析，都可以拓展应用到我们常规结构的HgCdTe器件结构设计中。本项目的理论结果，包括线性结构的引入和参数的优化，都已经应用于Si基长波HgCdTe焦平面器件结构的设计中。