In this thesis, two subjects have been studied. One is about the analysis of the I-V characteristics in LWIR HgCdTe photodiodes using dark current modeling and fitting procedure. The other is the study on finding the relationship between excess low frequency (1/f) noise currents and dark currents for various bias voltages and variable-area diode array structure.
Dark current models in HgCdTe photodiodes are summarized. The dark currents are composed of diffusion current, generation-recombination (g-r) current, band-to-band tunneling (BTB) current and trap-assisted tunneling (TAT) current. Using these models, we investigated the post-implantation annealing effects on LWIR HgCdTe photodiodes. Devices were fabricated by ion-implantation technique and their characteristics, such as current-voltage and dynamic resistance-voltage, were examined. Current-voltage and resistance-voltage characteristics were investigated after the post-implantation annealing at 150℃. During the fitting analysis, different four dark currents could be successfully separated and the improvement in the diode performances, brought about by the annealing process, could be well explained.
The characteristics of 1/f noise of HgCdTe diodes have been studied. First, the measurement of the 1/f noise was carried out for the diodes in chapter 2, and it was found, from the model fitting analysis, that the 1/f noise current is strongly correlated with the trap density. As the annealing time increased, both the 1/f noise current and the trap density changed in a similar manner. Even though RdA-V characteristics for 30 min. and 1 hour annealed diodes looked similar, the diode annealed for 1 hour showed lower 1/f noise current than that for 30 minutes. It is probably due to lower trap density of the diode annealed for 1 hour, in other words, due to smaller trap-assisted tunneling current component comparing with that for 30 minutes. Second, the relationship between 1/f noise and dark current in LWIR HgCdTe photodiodes was investigated systematically. Using the model fitting procedure proposed in chapter 2, different dark current components were extracted as a function of the reverse bias voltage. After that, the 1/f noise of the detectors were measured according to the reverse bias voltages and the dependence of the 1/f noise on the dark current was examined using the different dark current components extracted previously. All the data obtained in these experiments could be fitted by a relationship:
$i_n(V_d)^2=α_{diff}^2I_{diff}(V_d)^2 / f+α_{gr}^2I_{gr}(V_d)^2 / f+α{btb} ^2I{btb}(V_d)^2 / f+α_{tat}^2I_{tat}(V_d)^2 / f$
Applying the equation to the various diode voltages, coefficient values, $\alpha$`s, were solved by the least squares fitting method and they showed similar amount of effects. Therefore, the difference in the 1/f noise for two cases could be explained by the different amounts of dark current components. It is turned out that the band-to-band tunneling has a smaller correlation with the 1/f noise than other current components, and the trap center is thought to have a relatively large responsibility for the 1/f noise characteristics in LWIR HgCdTe photodiodes.
In order to investigate the correlation between 1/f noise currents and surface related leakage current, variable-area diode array technique is used. A general
relation between the inverse of the zero-bias resistance-area product of a diode and its perimeter-to-area ratio is established. The model is applied to the experimental results, and the degree of the surface related shunt resistance is investigated. Also, measured 1/f noise currents and dark currents at small reverse bias region, where diffusion current is a dominant mechanism, are measured and compared for different p/A devices. It is concluded that diffusion currents have a small effects on the 1/f noise current. In the small reverse bias region, it is turned out that 1/f noise current is dominated by the shunt resistance related to the surface leakage currents, even in the case where large diffusion current flows the devices. The surface related resistance is thought to be due to the trap levels which locate at the surface/interface between HgCdTe substrate and passivation layer. It is concluded that, therefore, trap is the main cause for the generation of 1/f noise in HgCdTe photodiodes in entire bias region.
$Hg_{1-x}Cd_xTe$는 II-VI 화합물 반도체로 수은과 카드뮴의 조성비(x)를 변화시킴으로써 밴드갭을 변화시킬 수 있는 물질로 적외선 감지 분야에서, 특히 장파장 적외선 대역(8~14um)에서는 최고의 고성능(높은 탐지도, 작은 온도 분해능)을 나타내고 있는 재료이다. 현재 HgCdTe를 이용한 적외선 감지 소자는, 많은 수의 소자로 이루어지는 2D 형태인 초점면 배열(Focal plane array : FPA)에 대한 연구가 진행되고 있다. 그런데 이러한 FPA의 경우, 길어지는 신호 적분 시간과 함께 유효한 주파수 대역폭이 작아지고 있고, 따라서 소자에서 발생하는 잡음 중에서 저주파에서 발생하는 1/f 잡음이 전체 감지소자의 특성을 결정짓는 가장 중요한 요소가 된다.
본 논문에서는 HgCdTe 광다이오드에서 발생하는 저주파 잡음의 원인에 대하여 연구하고자 하였는데, 크게 두 단계를 통하여 연구가 수행되었다. 우선 이러한 잡음과 직접적으로 관련되어 있는 암전류의 분석을 시도하였다. 2장에서는 HgCdTe 다이오드에서 발생하는 암전류를 4가지 성분 - 확산 전류, 생성-재결합 전류, 직접터널링 전류, 트랩을 통한 간접터널링 전류 - 으로 나누어서 식을 정리하였고, 이를 이용하여 실제로 제작된 소자에 대하여 전류-전압과 동저항-전압 특성을 분석하였다. 이온 주입 후 열처리한 소자에 대하여 분석을 하였는데, 열처리에 의해 변화된 소자의 특성은 이러한 전류 모델 분석을 통하여 잘 설명될 수 있었다. 즉, 열처리에 의하여 접합 형태가 $n^+/p$에서 $n^+/n^-/p$로 바뀌었고, 이온 주입시 많은 결함이 있던 지역에서 형성되어 있던 p-n접합의 위치가 상대적으로 결함이 적은 깊은 곳으로 바뀌었음을, 접합에서의 n-type 농도 Nd의 감소와 트랩밀도 Nt의 감소로 인한 것임을 설명할 수 있었다.
3장에서는 HgCdTe 소자의 저주파 잡음에 대한 측정과 분석이 이루어졌다. 우선, 2장에서와 같은 과정을 통하여 소자의 각 전류 성분을 나누면서 파라미터를 추출하였으며, 측정된 저주파 잡음과 비교를 함으로써 저주파 잡음이 트랩 밀도의 양에 깊은 관련을 가지고 있음을 알 수 있었다. 이는 30분 열처리한 소자와 1시간 열처리한 소자가 비슷한 동저항 특성을 가지고 있음에도 불구하고, 측정된 저주파 잡음이 차이가 나고 있는 것을 설명할 수 있었다. 두 번째로는 소자의 역방향 전압에 따른 저주파 잡음을 측정하고 각 전압에서의 암전류 성분과 비교함으로써, 각각 다른 암전류 성분의 저주파 잡음에 대한 기여도를 조사하였다. 이를 통하여 직접 터널링 전류는 다른 전류 성분에 비해 상대적으로 저주파 잡음에 기여하는 정도가 작음을 알 수 있었고, 이러한 분석을 통해서도 트랩에 관련된 전류 ( 트랩을 통한 생성-재결합 전류와 간접 터널링 전류)가 저주파 잡음을 발생하는 주된 성분이었다. 즉, 금지대역 내에 존재하는 트랩 준위가 HgCdTe 광다이오드에서 발생하는 저주파 잡음의 큰 요인이 됨을 알 수 있었다.
일반적으로 HgCdTe를 이용한 장파장 적외선용 초점면 배열소자를 동작시킬 경우에는 0V또는 작은 역방향 전압을 가하면서 동작시키고 있다. 이는 장파장 소자의 경우, 확산전류에 지배되므로 0V에서의 동적저항이 매우 작아짐으로써 신호취측회로로 넘어가는 신호의 주입효율이 감소하는 것을 방지하기 위함이다. 그러나, 너무 크게 역방향 전압을 가해줄 경우, 트랩에 관련된 전류 - 생성-재결합 전류와 트랩을 통한 간접터널링 전류 의 크기가 커짐으로써 가능한 확산전류가 지배적인 구간 이내에서 동작시키고 있다. 이럴 경우, 확산전류와 표면에서의 누설 전류가 소자의 동적저항 특성을 결정짓는다고 말할 수 있으므로 이에 대한 연구가 필요하다. 이에 4장에서는 같은 시편에 만들어진 둘레 길이와 면적의 비가 서로 다른 소자들에 대하여 표면 누설 전류에 의한 병렬저항과 기판에서의 전류에 의한 저항 각각에 대한 기여도를 조사하였다. 이차함수로 표현되는 모델에 근거하여 연구된 소자의 특성에 의하면, 0V에서는 표면 누설 전류가 전체 동적저항특성을 결정하는데 매우 큰 영향을 끼침을 알 수 있었다. 이러한 비교 분석으로 추출된 결과를 바탕으로, 각 소자에 대한 저주파 잡음특성을 측정한 후 소자에 흐르는 확산전류와 비교함으로써 저주파 잡음을 결정하는 요인을 조사하였다. 역방향 전압이 증가함에 따라 확산전류는 지수함수적으로 10 배 이상 크게 증가하는 반면에, 저주파 잡음은 약 30-40% 정도로만 증가함을 관찰할 수 있었다. 이는 저주파 잡음을 결정하는 요인은, 확산 전류에 비해 0 V 부근에서부터 존재하고 있는 표면 누설 전류에 의한 잡음이 대부분을 차지하고 있음을 확인할 수 있었다.
