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硅光电二极管作为重要的光电探测器,已经广泛的应用到军事、商业和空间遥感等领域。空间遥感所使用的硅光二极管探测器要求探测器具有良好的抗辐射性能。本文研究了不同表面钝化结构对光电二极管的抗辐射性能的影响,比较了电子辐照和质子辐照两种类型辐照对器件性能的影响。
论文研究了热氧化SiO2钝化光电二极管的辐照效应。结果表明,辐照后的响应率在短波和长波都有明显的衰减,而在中间波段(600~800nm)基本没有衰减,保持了辐照前的响应率。这是因为辐照在二极管中各个区域产生的辐照效应不同:1、在钝化膜与硅界面处引入界面态:2、在钝化膜内部积累电荷;3、在硅材料内部产生缺陷。短波段响应率衰减是界面态与积累电荷共同作用的结果。对辐照前后的光谱响应的模拟结果也证实了这一点。研究了SiO2钝化厚度对光电二极管抗辐射性能的影响。光谱衰减表明,薄钝化样管的抗辐射性能更好。同时,暗电流变化率表明厚钝化样管的抗辐射性能更好。
研究了化学气相淀积Si3N4钝化光电二极管的辐照效应。当氮化硅和硅之间只有一层很薄的自然氧化层时(<5nm),光谱响应率在短波段和中间波段都没有衰减,只长波段衰减;当氮化硅和硅之间的氧化层比较厚时(50nm),光谱响应率在短波段和长波波段都有衰减,只有中间波段没有衰减。后者与单纯SiO2钝化的结果一致。Si3N4钝化光电二极管的短波光谱响应对辐照剂量非常敏感。低剂量辐照时,响应率增加,高于辐照前的响应率20%;随着辐照剂量增加,响应率逐渐降低,直到低于辐照前值,经历了“增加-保持-衰减”的过程。分析认为这是辐照在si3N4引入的积累电荷的作用。实验还发现,Si3N4制备工艺对辐照效应有影响,但是没有发现明显的规律。在各种辐照条件下,Si3N4与SiO2复合钝化样品的暗电流变化率最小,表现出最好的抗辐射性能。
电子和质子同属于粒子辐照,作用于材料后会同时发生电离效应和位移效应。但是电子的电离效应更强,而质子的位移效应更强。实验表明,电子辐照主要影响二极管的响应率,质子辐照主要影响二极管的暗电流。