[發明專利]基于光子晶體限光效應的焦平面探測器結構的設計方法

有效

• 申請號: 201310591022.5
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103681937A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 胡偉達;梁健;葉振華;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/102
• 分類號: H01L31/102;H01L31/18
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

1.一種基于光子晶體限光效應的紅外焦平面探測器結構的設計方法，其特征在于包括如下步驟：

1)使用模擬軟件構建二維n⁺-on-p型HgCdTe光伏探測器件，n區收集層（2）摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3，p區吸收層（3）摻雜濃度為9×10¹⁵cm^-3，襯底材料（4）為Si，同時n區和p區分別安裝電極（1）、（5）以測量輸出電壓信號；

2)構建物理模型：本數值模擬中利用了時域有限差分進行光學模擬和有限元數值方法進行電學模擬。光學模擬的基本方程是麥克斯韋方程組，得到的光場分布通過與材料電導率相關的理論方程可計算轉換為光生載流子產生率分布。電學模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電流密度方程，再結合之前得到的光生載流子產生率作為光響應產生復合項加入到連續性方程中；其他產生復合模型包括SRH復合、Auger復合和輻射復合，表面復合。同時還要考慮到窄禁帶半導體的陷阱輔助隧穿和帶到帶隧穿效應，最后，用有限元方法離散化聯立迭代求解；

3)調節物理參數，固定模擬環境溫度，外加入射光垂直背入射，經過襯底到達結區，激發產生光電流信號，在單一波長固定功率的入射光條件下，改變各材料層的厚度，主要是p區吸收層厚度，得到響應率最高時的最佳厚度；

4)在步驟3）的基礎上，改變各單元柱狀結構的寬度，由模擬得到器件量子效率隨填充比變化的曲線；

5)在無光條件下，得到對應3）中的暗電流隨填充比變化的曲線；

6)改變整個結構的周期寬度，重復步驟4）、5），得到一系列不同周期下量子效率和暗電流隨填充比波長變化的曲線，從而獲得最佳的單元周期參數；

7)改變入射光波長，重復3）～6）的步驟，可以研究波長和最佳周期的關系，特別是對于從中波器件變為長波器件的情形，需同時調整p區吸收層和n區收集層的厚度，得到該組分的HgCdTe紅外探測器在設定入射波長下的各層最佳厚度；

8)制備中波器件樣品。先采用MBE技術，在硅襯底上生長Cd組分為x=0.275的p型Hg_1-xCd_xTe材料，其中砷摻雜或者汞空位摻雜的濃度為9×10¹⁵cm^-3，對應入射波長為4μm時的厚度為7μm；另外再經過B+注入形成n區，接著利用低溫干法刻蝕，得到不同單元柱狀結構周期的材料，之后長ZnS和CdTe雙層鈍化膜、鍍金屬電極和制備銦柱，從而獲得基于光子晶體微結構的n+-on-p型HgCdTe紅外焦平面探測器樣品；

9)選取截止波長4μm作為入射光波長，光功率恒為0.001W/cm^-2，使入射光分別垂直照射到步驟8中所述不同組樣品的測量區域，即吸收層，獲得測量樣品在200K溫度下的響應光譜曲線；

10)步驟9中所得到的實驗數據與步驟3～7中所得到的模擬數據進行對比，可獲取提高器件性能的最佳設寸參數。