CN110243779A - 一种碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱的计算方法，该方法主要包括入射光在碲镉汞红外焦平面探测器中的传播、碲镉汞吸收层中载流子的输运、碲镉汞吸收层表面态复合模型以及响应光谱的综合设计。设计的响应光谱曲线在干涉条纹以及在短波红外区域量子效率下降的现象与实际的测试结果一致。该设计方法对碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱优化有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及碲镉汞红外焦平面探测器技术，具体涉及碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱测量、分析和设计。
背景技术
碲镉汞红外焦平面探测器是用于获取物体红外信息，并同时进行信息处理的成像传感器，其在航空、航天、农业和海洋等多个领域都有广泛应用。碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱的研究对于改善光谱形状、改进器件结构以及提高量子效率有着重要意义。目前碲镉汞红外焦平面探测器相应光谱研究中存在的主要问题有：没有找到响应光谱中波动现象的来源；不能定量的解释表面态导致短波端量子效率下降的原因；没有一个完整的理论可以对响应光谱的产生过程以及各个环节的影响因素进行定量分析等。
发明内容
本发明公开了一种碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱的计算方法，主要包括由光传输过程引起的、在光谱中产生的干涉峰的形状计算；讨论了碲镉汞的光吸收过程以及量子效率的计算方法；通过对碲镉汞表面能带结构的分析，提出了一种表面复合对于响应光谱的影响的分析方法，以及短波区域光谱形状的设计方法；综合以上方法，结合器件参数，设计响应光谱曲线。具体计算过程如下。
第一步：增透膜、衬底、缓冲层总体透过率的计算
碲镉汞红外焦平面探测器多层结构如图1所示，采用背照射模式的入射光在到达碲镉汞吸收层之前，依次经过增透膜、芯片衬底以及缓冲层，在此多层结构的每一层中都会产生干涉效应，引起透过率的变化，从而在最终的响应光谱中表现出响应值随波长变化的波动现象。接下来对于多层膜结构中的光传输过程进行理论分析：
多层结构中的每一层均可视为均匀介质膜，见图2，其折射率只在法线方向上与周围介质不同，在垂直于法线方向的任意平面内折射率不变。
均匀介质膜的透过率为：
其中
碲镉汞吸收层之前的多层结构的总体透过率t为每一层透过率的乘积。公式中各参数的物理意义为：T为均匀介质膜透过率，n1、n2、n3分别为入射端介质折射率、均匀介质膜透过率、出射端介质透过率，θ1、θ2、θ3分别为均匀介质膜上表面入射角、上表面出射角、下表面出射角。
第二步：背照射情况下的量子效率的计算
采用背照射模式的n-on-p光伏型碲镉汞焦平面探测器的光吸收发生在P区，在P区产生的光生载流子，即电子，扩散进入p-n结，在外电路中产生光电流。在器件设计过程中要求P区的厚度小于电子扩散长度，并且P区组分决定着禁带宽度，进而决定响应光谱的截止波长。以下从p区光子吸收系数入手，讨论背照射情况下的量子效率。
当入射光子能量E低于p区碲镉汞禁带宽度Eg时，所产生的吸收为低能段的吸收边，吸收系数的表达式为：
E≤Eg:
其中
lnα0＝-18.5+45.68x
E0＝-0.355+1.77x
αg＝-65+1.88T+(8694-10.31T)x
其中x为碲镉汞组分，T为实验温度。随着入射光波长降低，能量E升高至禁带宽度Eg以上时，将进入本征吸收区，吸收系数的表达式为：
E>Eg:
β(T,x)＝-1+0.083T+(21-0.13T)x
T＝77K时:
β＝5.4+11x
碲镉汞禁带宽度为：
Eg＝-0.295+1.87x-0.28x2+(6-14x+3x3)(10-4)T+0.35x4
由此可计算整个光谱范围内的吸收系数。
进而得出背照射情况下的量子效率为：
其中d为碲镉汞吸收层厚度，le为电子扩散长度。
第三步：利用表面复合效应对量子效率进行修正
以上讨论忽略了表面复合的影响。考虑表面复合对光电流的影响，便可得到与实测响应光谱相符合的拟合光谱。在碲镉汞吸收层的入射表面由于晶格的断裂存在着许多的悬挂键，这些悬挂键会引入不饱和能级，需要吸收电子来达到平衡，从而影响表面电子浓度。从能带角度解释为表面态使能带向上弯曲，在表面处形成电子势垒。绘制了存在表面态时的碲镉汞表面能带示意图，见图4。
通过求解泊松方程得到碲镉汞表面电势随位置x变化关系为：
根据E>Eg时
可以看出当光子能量越高时，吸收系数越大，光吸收越集中于材料表面，表面态对于这种光生载流子的复合强度越高，进而表现出在响应光谱中短波端响应值较低的现象。具体的计算如下：
入射光剩余的光功率：
I(x)＝I0e-αx
其中x为碲镉汞内部到表面的距离，I0为碲镉汞表面光功率。
被材料吸收的光功率：
I(x)′＝I0(1-e-αx)
某一位置吸收的光功率：
f(x)<1用来表征表面复合引起的衰减：
则某一位置产生的电子数为：
其中λ为入射光波长，h＝6.625×10-34J·s为普朗克常数，c＝2.998×108m/s为真空中光速。
对所有位置积分得到表面复合影响下到达p-n结的电子数：
第四步：响应光谱的计算
综合以上讨论的影响响应光谱的各种因素：由多层膜结构引起的干涉效应产生的总体透过率t；背照射情况下的量子效率η；表面复合影响下的实际光电子数Q′。得到稳态光电流密度为：
Jph＝Q′et
e＝1.602×10-19C为元电荷。绘制Jph与入射光波长之间的关系曲线并作归一化处理即得到响应光谱。
本发明有益效果：通过设计增透膜、芯片衬底以及缓冲层的厚度可以控制响应光谱中各级干涉峰的峰宽；利用表面能带模型的以及表面态能带的理论可以控制短波区域响应光谱的形状；利用综合光谱设计方法可以控制响应光谱的总体形状。
附图说明
图1是碲镉汞红外焦平面探测器多层结构示意图，1为增透膜，2为芯片衬底，3为缓冲层，4为HgCdTe吸收层。
图2是电磁波透过均匀介质膜示意图。
图3是实施例1中ZnS增透膜、Si衬底和CdTe缓冲层总体透过率与入射波长关系的计算结果。
图4是HgCdTe吸收层表面态引起的表面能带弯曲示意图。
图5是利用碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱设计方法结合相关参数得到的响应光谱设计曲线。
图6是利用傅里叶红外光谱仪对实施例1中碲镉汞红外焦平面探测器进行测量得到的归一化响应光谱。
具体实施方式
实施例1
(1)利用碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱的计算方法进行光谱设计，采用的相关材料参数为：ZnS增透膜、Si衬底、CdTe缓冲层，折射率分别为：nZnS＝2.4，nSi＝3.42，nCdTe＝2.72；各层厚度：hZnS＝0.264μm，hSi＝35μm，hCdTe＝5.5μm；MCT组分：x＝0.444；
(2)利用碲镉汞表面态模型对响应光谱短波区域进行修正，得到最终的响应光谱设计曲线如图5所示；
(3)按照上述参数制作碲镉汞红外焦平面探测器，利用傅里叶红外光谱仪测量其响应光谱，得到的响应光谱曲线如图6所示，与设计曲线相符。
Claims (1)
1.一种碲镉汞红外焦平面探测器响应光谱的计算方法，所述的碲镉汞红外焦平面探测器结构为：衬底之上为缓冲层和碲镉汞吸收层，衬底背面为增透膜，其特征在于计算方法的包括以下步骤：
第一步为增透膜、衬底、缓冲层总体透过率的计算；
多层结构中的每一层均可视为均匀介质膜，其折射率只在法线方向上与周围介质不同，在垂直于法线方向的任意平面内折射率不变；
均匀介质膜的透过率为：
其中
碲镉汞吸收层之前的多层结构的总体透过率t为每一层透过率的乘积。公式中各参数的物理意义为：T为均匀介质膜透过率，n1、n2、n3分别为入射端介质折射率、均匀介质膜透过率、出射端介质透过率，θ1、θ2、θ3分别为均匀介质膜上表面入射角、上表面出射角、下表面出射角；
第二步为背照射情况下的量子效率的计算；采用背照射模式的n-on-p光伏型碲镉汞焦平面探测器的光吸收发生在P区，在P区产生的光生载流子，即电子，扩散进入p-n结，在外电路中产生光电流。在器件设计过程中要求P区的厚度小于电子扩散长度，并且P区组分决定着禁带宽度，进而决定响应光谱的截止波长。以下从p区光子吸收系数入手，讨论背照射情况下的量子效率；
当入射光子能量E低于p区碲镉汞禁带宽度Eg时，所产生的吸收为低能段的吸收边，吸收系数的表达式为：
E≤Eg:
其中
lnα0＝-18.5+45.68x
E0＝-0.355+1.77x
αg＝-65+1.88T+(8694-10.31T)x
其中x为碲镉汞组分，T为实验温度。随着入射光波长降低，能量E升高至禁带宽度Eg以上时，将进入本征吸收区，吸收系数的表达式为：
E>Eg:
β(T,x)＝-1+0.083T+(21-0.13T)x
T＝77K时:
β＝5.4+11x
碲镉汞禁带宽度为：
Eg＝-0.295+1.87x-0.28x2+(6-14x+3x3)(10-4)T+0.35x4
由此可计算整个光谱范围内的吸收系数；
进而得出背照射情况下的量子效率为：
其中d为碲镉汞吸收层厚度，le为电子扩散长度；
第三步为利用表面复合效应对量子效率进行修正；通过求解泊松方程得到碲镉汞表面电势随位置x变化关系为：
根据E>Eg时
可以看出当光子能量越高时，吸收系数越大，光吸收越集中于材料表面，表面态对于这种光生载流子的复合强度越高，进而表现出在响应光谱中短波端响应值较低的现象；具体的计算如下：
入射光剩余的光功率：
I(x)＝I0e-αx
其中x为碲镉汞内部到表面的距离，I0为碲镉汞表面光功率。
被材料吸收的光功率：
I(x)′＝I0(1-e-αx)
某一位置吸收的光功率：
f(x)<1用来表征表面复合引起的衰减：
则某一位置产生的电子数为：
其中λ为入射光波长，h＝6.625×10-34J·s为普朗克常数，c＝2.998×108m/s为真空中光速；
对所有位置积分得到表面复合影响下到达p-n结的电子数：
第四步为响应光谱的计算；综合以上步骤中的影响响应光谱的因素；即由多层膜结构引起的干涉效应产生的总体透过率t；背照射情况下的量子效率η；表面复合影响下的实际光电子数Q′；得到稳态光电流密度为：
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