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窄禁带碲镉汞(Hg1-xCdxTe,MCT)半导体是一种理想的红外辐射探测材料,在红外探测器和焦平面阵列方面具有重要的应用价值。本文围绕HgCdTe材料的光谱表征方法,对目前HgCdTe材料研究领域的两个问题(光电响应和杂质/缺陷的影响)进行了分析与测试。
优化了中红外波段的光调制反射(PR)光谱实验方法。PR是一种有效的半导体光谱表征方法,针对HgCdTe材料的波段要求和传统的基于单色仪的PR方法的限制,我们实验室发展了一种基于步进扫描傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪的PR新方法。不仅显著提高了弱信号探测能力和光谱信噪比,而且首次将测量范围拓展到中远红外波段,使PR方法用于HgCdTe材料研究成为可能。本文在分析和比较的基础上,利用该方法对HgCdTe材料进行研究,摸索了新方法的优化条件,积累了实验经验,从而使PR光谱质量得到较好的保证。
确认了用红外PR方法研究窄禁带半导体HgCdTe的有效性,并利用新方法对HgCdTe材料进行了概念性测量。针对液相外延生长和砷掺杂分子束外延生长的两组HgCdTe样品的77K下的PR光谱实验的结果表明,PR新方法能揭示带带跃迁和禁带内跃迁,其光谱特征与材料中杂质缺陷引入的浅能级相关。通过对实验光谱的拟合与分析,并对照PL光谱实验结果和材料制备参数,初步指认了材料中杂质/缺陷浅能级。分析表明,Hg空位能级位于价带上约14meV处,AsHg和TeHg分别在导带下约6.9meV和17.6meV处。
研制并优化了HgCdTe材料的光电流谱测试电路,并配合FTIR光谱仪对材料的光电响应进行了测试。结果表明,测试电路工作性能良好,满足功能设计的要求。测试电路以单片机作为控制核心,包括电源模块、A/D转换模块和LCD显示模块,各功能模块之间巧妙隔离,既保证了测试样品不受到电路高频数字部分的干扰,又节省了电路功耗。测试电路不仅能为HgCdTe材料的光电流谱实验提供了低噪声、高稳定性的电学测试环境,还具备了友好的人机交互接口,便于对测试条件进行实时的监视和控制。
对HgCdTe材料进行了光电流谱(PC)实验,比较了吸收/透射光谱、PR光谱和PC谱的光谱实验结果,讨论了几种用于预测材料光电响应截止波长的光谱方法的特点。结果表明:用传统透射谱和禁带宽度经验公式来预测材料的光电响应截止波长的方法存在一定不准确因素;PR方法作为一种无损光谱方法能较可靠的预测HgCdTe材料光电响应截止波长。