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二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究

瞿帆 傅剑宇 侯影 卢一泓 李振锋 陈大鹏

瞿帆, 傅剑宇, 侯影, 卢一泓, 李振锋, 陈大鹏. 二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究[J]. 红外技术, 2023, 45(3): 308-314.
引用本文: 瞿帆, 傅剑宇, 侯影, 卢一泓, 李振锋, 陈大鹏. 二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究[J]. 红外技术, 2023, 45(3): 308-314.
QU Fan, FU Jianyu, HOU Ying, LU Yihong, LI Zhenfeng, CHEN Dapeng. Optimizing Diode Structure in Uncooled Infrared Focal Plane Array[J]. Infrared Technology , 2023, 45(3): 308-314.
Citation: QU Fan, FU Jianyu, HOU Ying, LU Yihong, LI Zhenfeng, CHEN Dapeng. Optimizing Diode Structure in Uncooled Infrared Focal Plane Array[J]. Infrared Technology , 2023, 45(3): 308-314.

二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究

基金项目: 

中国科学院科学仪器研发项目 ZDKYYQ20200007

详细信息
    作者简介:

    瞿帆(1995-),男,硕士研究生,主要研究方向为MEMS红外传感器智能化关键技术。E-mail: qufan@ime.ac.cn

    通讯作者:

    傅剑宇(1984-),女,副研究员,博士,致力于MEMS红外传感器和热探测器智能化关键技术的研究,重点进行自检测、自诊断、自补偿和自验证技术的研究。E-mail: fujianyu@ime.ac.cn

  • 中图分类号: TN215

Optimizing Diode Structure in Uncooled Infrared Focal Plane Array

  • 摘要: 为适应非制冷红外探测器高空间分辨率的发展趋势,非制冷红外焦平面阵列作为非制冷红外探测器的核心部件不断向大阵列、小像素方向发展。本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列,理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响,在确定二极管最佳工作电流的同时,提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。基于此,设计了p+n-pn-n+p三合一二极管,并将其与传统二极管、回型二极管、p+n-n+p二合一二极管、以及由p+n-n+p二合一二极管直接拓展得到的两种三合一二极管进行了对比考察,研究发现6种结构中p+n-pn-n+p三合一二极管在相同尺寸下拥有最多的二极管串联数量且结面积相对最大;进而利用Sentaurus TCAD仿真,验证了在同一整体尺寸下,p+n-pn-n+p三合一二极管的电压温度系数分别约为p+n-n+p二合一二极管,及在其基础上直接拓展得到的两种三合一二极管的1.5倍,为回型二极管与传统二极管的2.6倍、3.7倍。证明了在小像素下p+n-pn-n+p三合一二极管性能最优,且在其基础上拓展可得到N合一二极管能进一步优化器件的性能。
  • 图  1  二极管的温度特性曲线

    Figure  1.  Temperature characteristic curves of diode

    图  2  单个像素结构示意图

    Figure  2.  Single pixel structure

    图  3  总电容Ca,漏电流Is与结面积Aa的理论关系

    Figure  3.  Theoretical relationship between total capacitance Ca, leakage current Is and junction area Aa

    图  4  响应噪声比f0与偏置电流If的理论关系

    Figure  4.  Theoretical relationship between response-to-noise ratio f0, bias current If

    图  5  TCV随结面积Ai与二极管串联的个数N的变化趋势

    Figure  5.  TCV changes with the junction area Ai and the number of diodes in series N

    图  6  二极管结构(a)传统二极管(b)回型二极管(c) p+n-n+p二合一二极管(d) 2p+n-n+p三合一二极管(e) 2p+n-n+p三合一二极管(f) p+n-pn-n+p三合一二极管

    Figure  6.  Diode structure (a) Traditional diode (b) "well" shape diode (c) p+n-n+p 2-in-1 diode (d) 2p+n-n+p 3-in-1 diode (e) 2p+n-n+p 3-in-1 diode (f) p+n-pn-n+p 3-in-1 diode

    图  7  Sentaurus器件仿真

    Figure  7.  Sentaurus device simulation

    图  8  等效电路图

    Figure  8.  The equivalent circuit diagram

    图  9  结构f不同尺寸下的TCV仿真结果

    Figure  9.  TCV simulation results under different sizes of structure f

    表  1  6种结构同尺寸下的Z值与N值的大小

    Table  1.   The Z value and N value under the same size of 6 structures

    Structure Aa/μm2 Sa/μm2 Z N
    a 30 30×30 0.0333 1
    b 840 30×30 0.9333 1
    c 727 30×30 0.8070 2
    d 726 30×30 0.8067 3
    e 645 30×30 0.7167 3
    f 741.2 30×30 0.8236 3
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-16
  • 修回日期:  2022-04-11
  • 刊出日期:  2023-03-20

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