激光退火在硅基光电探测器中的应用

分别对p-i-n和n-i-p两种结构的硅基光电探测器的背面离子注入层进行激光退火处理,辐照功率分别为0.5、1、1.25和1.5 J/cm2.根据激光退火激活载流子模式计算了载流子激活率,获得了载流子浓度和接触电阻的变化量.通过对比器件的电学和光学性能,发现采用1.5 J/cm2的激光,离子注入方式得到的硼离子和磷离子的激活率达到75.0％和92.6％,使得p-i-n和n-i-p结构器件的背接触电阻分别从未退火的22.3 Ω和15.89 Ω降低至7.32Ω和7.63 Ω,显著改善了硅基光电探测器的正向特性.在100 mV反向偏压下激光退火至少降低了10％的暗电流,并增强p-i-n结构峰值处约1％的光谱响应和n-i-p结构峰值处约5％的光谱响应.     

AlGaN基p-i-n光电探测器负响应现象研究

对AlGaN基p-i-n光电探测器的负光电响应特性进行研究,从实验上证实了器件中p型接触电极的肖特基特性是导致该现象的主导因素.不同偏压下的响应光谱表明,这些AlGaN光伏器件中存在较为明显的光导响应特性.光照和暗背景条件下的C-f曲线验证了器件中的持续光电导特性,而高铝组分铝镓氮材料内存在的大量缺陷被认为是该现象的起因.系统地研究了AlGaN基p-i-n光电探测器存在的负响应现象及其微观机理,为铝镓氮基日盲器件光电性能的优化提供了重要参考依据.     

离子注入型蓝光灵敏的光电探测器

报道了离子注入CW CO_2 激光退火硅光电二极管的结果.激光退火工艺与热退火工艺进行了比较,表明这种器件具有峰值响应波长短、蓝光灵敏度高等优点.在波长为4000A时量子效率达0.64.通过测量结深、杂质浓度分布及缺陷的观测,解释了CW CO_2激光退火工艺优于热退火工艺的原因.     

光学头中单片光电集成硅基PDIC的设计

针对应用于DVD光学头的关键部件PDIC,设计了一种芯片面积小、输出失调电压低的单片集成的硅基PDIC.芯片采用CSMC的0.5 μm BCD工艺,集成了p-i-n探测器与前置放大电路.重点介绍了p-i-n光电探测器及前置放大电路的设计思想.仿真结果表明,用于光电检测的p-i-n光电探测器在650 nm光照下响应度达0.2 A/W,互阻放大器的-3 dB带宽达到94 MHz,跨阻增益达150 kΩ.可以满足DVD系统的性能要求.     

基于银纳米薄膜欧姆接触的高波长选择性紫外探测器研究

常规的半导体紫外探测器波长响应范围宽,而紫外光的应用具有较强的波长选择性,如320nm波段的紫外光在医学方面有重要的应用,因此,具有高波长选择性的紫外探测器的研制有重要意义。文章采用GaN基p-i-n探测器结构,通过在p区覆盖银纳米薄膜作为欧姆接触层和波长选择透射层,成功制备了对320nm波段紫外光高选择性探测的紫外探测器,器件性能如下:70nm银层的紫外光透射率峰值超过30%,器件在-5V偏压下的暗电流为10-12 A量级,响应峰值为0.06A/W,响应峰发生在325nm处,光谱响应峰半高宽约30nm。     

硅基雪崩光电探测器倍增层掺杂的研究

硅基雪崩光电探测器的器件性能与倍增层的掺杂浓度有着密切联系。研究了硅基雪崩光电探测器倍增层的掺杂浓度对雪崩击穿电压和光谱响应度等特性的影响。在硼的注入剂量由5.0×1012 cm-2减小为2.5×1012cm-2时,倍增层内电场强度逐渐降低,吸收区电场强度迅速增大,器件的雪崩击穿电压由16.3V迅速上升到203V,而光谱响应在95%的击穿电压下,峰值响应波长由480nm红移至800nm,对应的响应度由11.2A/W剧增到372.3A/W。综合考虑光谱响应和雪崩击穿电压的影响,在硼注入剂量为3.5×1012 cm-2时,可获得击穿电压为43.5V和响应度为342.5A/W的器件模型,对实际器件的制备具有一定参考价值。     

倒金字塔结构的黑硅PIN光电探测器的研究

由于晶体硅间接带隙的本质,光的吸收系数较低 ,影响了硅基光电探测器的量子效率。倒金字塔结构被证明是能够使得单晶硅片的光吸收效 率接近Yablonovitch limit的有效陷光结构。本论文采用金属催化腐蚀技术在单晶硅上制备具有随机分布的 倒金字塔陷光结构,并将其应用 到PIN光电探测器。结果显示具有倒金字塔结构的黑 硅PIN光电探测器加权平均反射率从20.18%降低至4.77%,探测器的漏电流仅0.9 nA, 光谱响应度达到0.64 A/W,较常规硅探测器提高33%。这些结果表明金属催化腐蚀技 术形成的倒金字塔结果能有效降低器件的表面反射率,从而提高探测器的光谱响应度。     

AlGaN基PIN光电探测器的模型与模拟

在漂移扩散方程的基础上建立了AlGaN p-i-n光电探测器的物理模型,分析了多种结构AlGaN p-i-n光电探测器的光谱响应,并讨论了AlGaN/GaN异质结界面极化效应对太阳盲区p-GaN/i-Al0.33Ga0.67N/n-GaN倒置异质结结构p-i-n光电探测器(inverted heterostructure photodetectors,IHPs)UV/Solar选择比(280rm与320nm响应度之比)的影响.结果表明:优化p层是提高器件光谱响应的有效途径;为获得较高的UV/Solar选择比,光伏模式(零偏压)为太阳盲区p-GaN/i-Al033Ga0.67N/n-GaN IHPs的最佳工作模式;在光伏模式下考虑极化效应影响时,Ga面p-GaN/i-Al0.33Gao.67N/n-GaN IHPs器件的UV/Solar选择比可达750,与Tarsa等人报道的三个量级的实验结果基本一致.     

锗近红外光电探测器制备工艺研究进展

Ge材料由于在近红外波段具有较大的吸收系数、高的载流子迁移率、以及与Si工艺相兼容等优势而被视为制备近红外光电探测器最理想的材料之一。针对Ge光电探测器制备过程中面临的挑战,文中综述了近年来笔者所在的课题组在Ge探测器材料、器件及工艺方面的研究进展。首先介绍了Si基Ge材料的制备工艺,利用低温缓冲层生长技术、Ge/Si键合技术、Ge浓缩技术等分别制备得到高晶体质量的Si基Ge材料。研究了Ge材料n型掺杂工艺,利用离子注入结合两步退火处理（低温预退火和激光退火）以及利用固态磷旋涂工艺等分别实现Ge材料n型高掺浅结制备。最后探究了金属/Ge接触势垒高度的调制方法,结合金属中间层和透明导电电极ITO制备得到性能良好的Ge肖特基光电探测器。     

硅基PIN光电探测器的设计与模拟

介绍了单片集成硅光接收器的研究背景,阐述了硅光电探测器的工作机理.设计了一种应用于单片集成硅光接收器的PIN结构光电探测器,并用Silvaco软件对光电探测器的器件结构、光谱响应、响应电流及其随入射光功率的变化、器件的暗电流分别进行了模拟,对模拟结果进行了分析.设计了该光电探测器的版图,给出了其主要工艺流程,搭建了其光响应谱测试电路.最后对研究结果进行了总结.     

复合激光损伤CMOS图像传感器实验研究

激光是对抗光电侦察的有效方式。为了提高损伤效能,探索了复合激光损伤光电探测器的新思路。分别开展了波长1064 nm和532 nm、脉宽10 ns的激光及其双波长复合激光,以及波长1064 nm、脉宽0.4 ms和10 ns激光及其双脉宽复合激光对CMOS图像传感器的损伤效能实验。结果表明,双波长复合激光对CMOS造成严重损伤时的基频光能量是单独1064 nm激光的77.8%,是单独532 nm激光的62.5%;双脉宽复合激光损伤时,脉宽0.4 ms激光的能量密度降低为单独作用时的1.7%,脉宽10 ns激光的能量密度降低为单独作用时的76.4%。这一发现为多制式复合激光高效光电对抗提供了新的思路和参考。     

激光停照后探测器继续升温现象的实验研究

文章针对探测器组件,研究了响应波段内、外激光辐照停止后,组件内探测器的热恢复过程.实验发现激光辐照停止后,组件内探测器存在继续升温的新现象.研究表明,此现象是器件整体结构所致,Ge窗口或滤光片对激光能量的吸收是导致温升的直接原因.实验还测量了不同激光功率、不同辐照时间下探测器继续升温的时间,结果表明继续升温时间随辐照时间的加长而减小,随激光功率的提高而增大.     

基于亚纳秒微片激光器的能量放大器的研究

高脉冲能量和窄脉冲宽度的激光放大器可以应用在诸多领域,例如激光加工、激光医疗美容和激光雷达。种子源激光器与行波放大结构相结合的主振荡功率放大（MOPA）技术,既能保证输出的脉冲激光相关特性（如脉宽和重复频率等）与种子源特性一致,又能实现激光输出能量的放大。因此MOPA技术成为激光放大器工程应用中的主要技术。本课题针对医疗美容对亚纳秒级大能量激光放大器的需求,研制了一台基于亚纳秒微片固体激光器的激光放大器。首先,采用亚纳秒被动调Q微片固体激光器作为种子源。种子源激光器在重复频率为10 Hz,脉冲宽度为487.3 ps时输出能量为190 μJ的1064 nm种子光。然后,利用自制的两个氙灯泵浦Nd: YAG模块作为主放大器对亚纳秒激光脉冲能量进行放大,对放大过程自激振荡产生的能量实现了抑制,有效地提高了放大过程中的能量转换效率。最终,得到了波长1064 nm和532 nm可切换输出,在重复频率为10 Hz时,获得了脉冲宽度496.4 ps,脉冲能量561 mJ@1064 nm,330 mJ@532 nm,能量稳定性2%且光斑均匀的亚纳秒激光输出。     

液相外延HgCdTe薄膜组分均匀性对器件响应光谱的影响

研究了HgCdTe液相外延薄膜的组分均匀性对器件响应光谱的影响。提出了一种计算HgCdTe红外探测器响应光谱的方法,考虑了HgCdTe液相外延薄膜的纵向组分分布和横向组分波动,以及光在器件各层结构中的相干、非相干传输。使用该方法计算了响应光谱的峰值响应率和截止波长液相外延HgCdTe的互扩散区厚度z和组分均方差的变化规律。结果表明:对于一般的HgCdTe外延薄膜,小于0.002,不需要考虑横向组分波动的影响。同时计算了峰值响应率和黑体响应率液相外延HgCdTe的总厚度的变化规律,可以得到最佳的吸收区厚度。     

碲镉汞红外探测器电极接触研究北大核心CSCD

金属/碲镉汞电极接触是红外焦平面探测器的重要组成部分,对器件的性能与稳定性影响较大。然而在碲镉汞金属化过程中,金属离子能量较高将有可能对碲镉汞表面造成损伤。本文采用了离子束沉积系统生长金属电极,探究了束流、束压以及热处理等条件对碲镉汞红外探测器接触性能的影响。研究表明,碲镉汞在生长电极后表面会受到一定程度的损伤;随着离子能量的升高,对材料表面损伤加剧。在I-V曲线中,电极沉积损伤较大的器件表现出软击穿现象;在热处理后,在一定程度上可以修复电极沉积时能量过大造成的损伤,提高了电极接触性能。     

单脉冲激光辐照CCD探测器热效应仿真研究

为了研究实际情况下激光辐照CCD热效应情况,首先介绍了CCD探测器的结构和工作原理并分析了脉冲激光对CCD探测器的热损伤过程。然后利用有限元方法在三维空间上分别对三种波长的脉冲激光(532nm、808nm、1064nm)辐照CCD进行了固体传热仿真,通过仿真得到了在三种不同波长下CCD探测器的损伤能量密度阈值。接下来通过比较损伤能量密度阈值发现当波长为532nm时,CCD探测器的损伤能量密度阈值最小。最后对比已发表的实验结果找到了比较统一的损伤规律。     

脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响分析

为了研究脉宽及重频对HgCdTe探测器损伤阈值影响,采用有限元法对HgCdTe红外探测器进行2维建模,以及激光辐照探测器温度场的仿真,得到了波段内外脉宽从10ns~1000ns的单脉冲激光损伤阈值。由于采用实验测定所有脉宽激光损伤阈值的办法不现实,故通过仿真计算,给出了从ns~μs量级不同激光脉宽的单脉冲探测器损伤阈值公式。结果表明,波段外单脉冲损伤阈值为9MW/cm2~0.9MW/cm2,波段内为150MW/cm2~15MW/cm2,并且探测器单脉冲损伤阈值与激光脉冲宽度呈负指数关系;当采用重频激光辐照探测器时,在相同的重复频率下,因长脉冲激光比窄脉冲宽激的脉冲间隔小,故长脉冲激光辐照时更容易出现温度积累效应,从而出现大面积损伤。这为进一步研究探测器的热应力场热弹性波和激光防护等提供了重要的理论分析依据。     

大功率激光对CCD探测器损伤研究

针对大功率激光辐照可见光成像探测器损伤机理,开展了1080nm波段大功率连续激光对CCD探测器损伤模型仿真与实验研究。首先,基于CCD典型结构及各层材料特性,建立了连续激光对CCD探测器热效应损伤模型,仿真模拟了CCD各层瞬态温度场和应力场,分析了连续激光损伤CCD多层结构的时间演化规律;其次,开展了连续激光对CCD探测器损伤实验,获取了CCD损伤阈值,并利用金相显微镜、扫描电镜对CCD探测器各层熔融情况进行了分析;最后,对模型仿真与损伤实验结果进行了对比,并分析了损伤阈值存在差异的原因。结果表明,1080nm连续激光辐照可见光CCD探测器400ms时的仿真损伤阈值为145×106W/cm2,实验损伤阈值213×106W/cm2,误差约为319。仿真与实验结果对探究大功率激光辐照CCD探测器损伤机理、评估干扰效果具有一定的参考意义。     

激光对光伏探测器真空破坏的实验研究

为了进一步研究激光对光电探测器的损伤破坏特性,以损伤面积和开路电压的变化为判断标准,实验研究了真空环境与大气环境中,脉冲激光辐照对光伏型探测器的破坏特性。选用无覆盖层的2CR 10×2.5四象限硅光电池作为探测器试件,辐照光源为波长1064nm的Nd:YAG脉冲激光器。分析讨论了真空及大气环境下,单脉冲及多脉冲激光打击时,光伏型探测器的破坏阈值及破坏形貌的区别及其成因。实验分析比较了不同环境下的破坏面积异同及其对光伏型探测器的影响。结果表明,真空环境中的破坏阈值明显低于大气环境,在本文中的实验条件下,其实际阈值约为大气中的40%。该研究在光电对抗及有效防护等方面有重要意义。     

线阵碲镉汞探测器对纳秒脉冲激光的反常响应规律及机理

利用纳秒激光辐照PV型线阵HgCdTe探测器的局部光敏元,获得了该类器件损伤前被辐照和未被辐照像元输出信号随激光能量密度变化的全部响应规律,指出基底信号二阶段响应和光信号六阶段响应的规律特点,同时给出不同响应阶段激光能量密度阈值范围;发现了基底信号整体跃变的零压输出、光响应信号输出凹陷-回升-凸起等反常响应现象;并从探测器读出电路和热生电动势的角度揭示了反常响应现象的产生机理,希望能加强对阵列型HgCdTe探测器光响应特性的深刻认识,为该类器件的技术创新提供启示。