InGaAs短波紅外探測器的光電機理

2023年12月13日發(作者：寫事作文300)

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InGaAs短波紅外探測器的光電機理

邵海洋;邢懷中

【摘 要】利用ISE TCAD仿真軟件,建立了銦鎵砷(InGaAs)短波紅外探測器表面漏電的二維模型.在背面照射方式下,模擬研究了InGaAs短波紅外探測器的表面漏電對器件暗電流、總電流、量子效率和響應率的影響.研究結果表明,表面漏電會導致器件的暗電流和總電流增大,但響應率和量子效率會降低.由此可知,表面漏電是制約InGaAs短波紅外探測器性能的重要影響因素,該研究結果為器件的設計與優化提供了理論依據.

【期刊名稱】《東華大學學報（自然科學版）》

【年(卷),期】2019(045)001

【總頁數】5頁(P158-162)

【關鍵詞】表面漏電;InGaAs短波紅外探測器;暗電流;響應率;量子效率

【作 者】邵海洋;邢懷中

【作者單位】東華大學理學院,上海201620;東華大學理學院,上海201620

【正文語種】中 文

【中圖分類】O474

1～3 μm短波紅外波段的探測器在空間遙感、夜視、溫度測量等領域具有重要的應用價值和前景[1]。目前，該波段范圍的探測器除了使用傳統的碲鎘汞和銻化物紅外材料以外，銦鎵砷(InGaAs)材料由于具有高吸收系數、高遷移率和高探測率，被認為是制作短波紅外探測器的優良材料[2]。InGaAs是由III-V族的材料磷化銦(InP)和砷化鎵(GaAs)以任意配比形成的三元化合物，由于In0.53 Ga0.47As材料的禁帶寬度(Eg)為0.75 eV，采用它制作的短波紅外探測器截止波長約為1.7 μm，可以完全覆蓋光纖通信常用的1.30和1.55 μm波長。此外，InGaAs和InP可以做到完全晶格匹配，可以在InP的襯底上生長出質量很高的外延層，研制出高性能的器件。

國內外針對InGaAs短波紅外探測器性能的研究已有不少報道。國內研究主要分析了不同摻雜濃度[3]、不同吸收層厚度[4]以及緩沖層的改變[5]對InGaAs短波紅外探測器的影響。國外的研究報道中，文獻[6]研究了不同入射方向的InGaAs短波紅外探測器的電學特性，文獻[7]研究了場效應對InGaAs基太赫茲輻射探測器的影響,文獻[8]研究了不同的表面處理與鈍化對InGaAs/InP異質結晶體管穩定性的影響。

然而，受限于現有的理論仿真模型，表面漏電作為影響紅外探測器性能的一個重要因素,目前對其研究報道甚少。表面漏電是由材料表面形成較高密度的缺陷、側壁污染等引起的，會嚴重損壞器件的穩定性和可靠性。針對InGaAs短波紅外探測器的表面漏電內在物理規律，及如何避免表面漏電對探測器性能的影響，本文計算了InGaAs短波紅外探測器在表面漏電情況下的暗電流、光響應等物理特性，研究結果將對提高器件性能具有指導意義。

1 理論模型

本文利用ISE TCAD軟件構建了InGaAs短波紅外探測器的二維模型(如圖1所示)，并對器件特性進行仿真模擬[9-11]。InGaAs中Ga元素比例設為0.47，即In0.53Ga0.47As。由圖1可知，由下往上依次為：200 nm厚的N型InP，記作N-InP，摻Si，摻雜濃度為4×1018 cm-3；30 nm厚的本征InP，摻Si，摻雜濃度為3×1015 cm-3；3.5 μm厚的本征In0.53 Ga0.47As吸收層(i層)，摻Si，摻雜濃度為3×1015 cm-3；10 nm厚的本征InP，摻Si，摻雜濃度為3× 1015

cm-3； 190 nm厚的P型InP，記作P-InP,摻Zn，摻雜濃度為2×1018 cm-3。器件n層寬度設為100 μm，其他層寬度設為25 μm，N型電極,記作N-pad,寬度設為12.5 μm，P型電極,記作P-pad,寬度設為16μm。N-InP和30nm本征InP的交界處設為坐標軸的原點，y坐標軸方向向下。計算光電流時，采用背面照射[13]，也就是從N層入射。

圖1 InGaAs短波紅外探測器模擬結構圖Fig.1 Simulation structure of InGaAs

short wavelength infrared detector

模擬中使用漂移-擴散模型、高場飽和模型探究載流子的輸運特性，同時利用復合模型計算產生-復合率，復合里面包含了Shockley-Read-Hall(SRH)復合、Band-to-Band Tunneling(BBT)復合、輻射復合和俄歇復合，利用Raytrace描述光子在多層異質結界面的光學傳播特性，計算器件的光場分布。模擬參數如表1所示。

表1 InGaAs短波紅外探測器的模擬參數

Table 1 Simulation parameters of InGaAs short wavelength infrared

detector

參數InGaAsInP晶格常數/10-10m5.868 75.868 7帶隙/eV0.771.34電子遷移率/(cm2·V-1·s-1)12 0004 730空穴遷移率/(cm2·V-1·s-1)45020電子有效質量/kg4.45×10-327.30×10-32空穴有效質量/kg4.09×10-317.83×10-31導帶有效態密度/cm-38.72×10165.66×1017價帶有效態密度/cm-36.66×10182.03×1019電子俄歇系數/(cm6·s-1)8.1×10-293.7×10-31空穴俄歇系數/(cm6·s-1)8.1×10-298.7×10-30

InGaAs短波紅外探測器件的表面存在很多缺陷，對器件性能有很大的影響。表面漏電可以通過改變器件表面薄層的載流子壽命來建立等效模型。表面載流子壽命(τs)和表面復合速度(S0)之間的關系如式(1)所示。 (1)

式中：deff為薄表面復合層的有效厚度[13]。

在仿真軟件中設置p區、i區、n區載流子壽命τs為10-6 s，對應的表面復合速度S0為5 cm/s。在器件的p區和i區的兩側寬度為0.1 μm處考慮表面漏電，載流子壽命分別取10-8和10-10 s，對應的表面復合速度分別為5×102和5×104

cm/s，并與不考慮漏電的表面復合速度5 cm/s進行對比。

2 結果與分析

2.1 表面漏電對InGaAs短波紅外探測器暗電流的影響

暗電流是InGaAs短波紅外探測器的一個重要參數指標，其包含擴散電流、空間電荷區內的產生-復合電流，還有探測器表面的產生-復合電流。較大的暗電流會導致探測器靈敏度降低，從而影響探測性能。因此為了得到較高的探測率，應盡量減小器件的暗電流。

擴散電流是指PN結耗盡區兩端載流子在場強作用下發生擴散和漂移的電流，少數載流子擴散和漂移是形成擴散電流的原因[14]。擴散電流與少數載流子的壽命成負相關關系，通過理論推導得到擴散電流(Idiff)計算式[15-16]如式(2)所示。

(2)

式中：A為PN結面積；ni為本征載流子濃度；μN和μP分別為非平衡電子與空穴的遷移率；τN和τP分別為非平衡電子與空穴的壽命；Na和Nd分別為P區與N區的摻雜濃度；Vd為器件所加偏壓；q為電子電量；k為玻爾茲曼常數；T為溫度。

空間電荷區內的產生-復合電流是指在空間電荷區載流子的激發與復合產生的電流，其大小與材料中SRH復合中心的能級與密度有關，產生-復合電流(Igr)的計算式[17]如式(3)所示。

(3)

式中：f(b)為一個積分因子；W0為零偏壓下的空間電荷區寬度；τ0為耗盡區少數載流子的有效壽命；Vbi為內建電勢。產生-復合電流與少數載流子壽命直接相關，因此在考慮表面漏電的情況下，暗電流將變大。

由式(1)和(2)可以看出，無論是擴散電流還是空間電荷區內的產生-復合電流均與載流子的壽命成負相關，即載流子壽命變小，擴散電流、產生-復合電流都隨之增大。另外，少數載流子壽命變小，會導致探測器表面薄層的復合率變大，使表面的產生-復合電流增大。所以在表面漏電下，暗電流增大。

在表面漏電(S01和S02)和不漏電(S0)下，模擬得到InGaAs短波紅外探測器的暗電流曲線如圖2所示。由圖2可知：在反向偏壓下，表面漏電的暗電流比不漏電的暗電流大；同時表面漏電時，載流子壽命越小，暗電流越大。因此，為了降低暗電流，提高InGaAs短波紅外探測器的探測性能，減小表面漏電是工藝上需要考慮的重要因素之一。

圖2 在表面不漏電和漏電下InGaAs短波紅外探測器的暗電流曲線Fig.2 Dark

current curves of InGaAs short wavelength infrared detector without and

with surface leakage

2.2 表面漏電對InGaAs短波紅外探測器總電流的影響

入射光在吸收層內被吸收并產生大量的電子-空穴對，因此除了暗電流之外，器件的總電流(暗電流與光電流之和)也是探測器的一個重要參數指標。光波長與其對應的光子能量轉換關系式[18]如式(4)所示。

(4) 式中：c為真空中光的傳播速度；λ為光的波長；h為普朗克常數；υ為光的頻率。設置InP和InGaAs的帶隙分別為1.34和0.77 eV，由式(4)計算可得，InP和InGaAs的截止波長分別為 0.93 和1.61 μm。 在模擬計算器件的光電性能時，加入Raytrace模型。光功率密度設為0.000 1 W/cm2，InGaAs短波紅外探測器采用背面照射，入射面積為625 μm2，計算總電流時的入射光波長取為1.5 μm，這樣就很好地包含了InGaAs的吸收波長。

在考慮表面漏電(S01和S02)和不漏電(S0)下InGaAs短波紅外探測器的總電流曲線如圖3 所示。由圖3可知，在反向偏壓下，表面漏電的總電流比不漏電的總電流大。由于光從器件底部入射InGaAs短波紅外探測器，導致電子從價帶激發到導帶，同時在價帶中形成空穴。在耗盡區內，自由電子-空穴對被耗盡區電場分開，電子往N區移動，空穴往P區移動；在耗盡區外，自由電子與空穴則產生漂移運動，載流子的壽命變小，導致擴散電流和漂移運動產生的光電流變大，因此總電流變大。

圖3 在表面不漏電和漏電下的InGaAs短波紅外探測器總電流曲線Fig.3 Total

current curves of InGaAs short wavelength infrared detector without and

with surface leakage

2.3 表面漏電對InGaAs短波紅外探測器響應率和量子效率的影響

響應率和量子效率也是衡量器件的重要參數指標。響應率(R)是從單位輻射功率形成光電流或光電壓的角度來衡量器件獲取目標輻射信號的效率，而量子效率(η)是直接衡量入射光子轉化為光電流中電子的效率。計算響應率和量子效率時的入射光波長取值為0.5～1.9 μm。

器件的輸出信號與入射到InGaAs短波紅外探測器上的輻射功率之比定義為探測器的響應率，其計算式[18]如式(5)所示。

(5)

式中： Popt為入射光功率；I0為器件在光照下的零偏電流。在表面漏電和不漏電下模擬得到的InGaAs短波紅外探測器的響應率曲線如圖4所示。由圖4可以看出：響應率在0.95～1.60 μm的波長之間形成了比較好的響應窗口；當入射光波長小于0.95 μm 或者大于1.6 μm時，響應率快速下降。因為N型InP窗口層對短波波長輻射的吸收，InP的截止波長為0.93 μm，而InGaAs吸收層的截止波長為1.61 μm。

由圖4還可以看出，表面漏電的響應率低于表面不漏電的響應率。這是因為入射光從襯底背面入射，在基區被吸收，吸收產生的少數載流子擴散到結區，被結區電場分開，產生光生電動勢[19]。載流子壽命短，少數載流子在擴散過程中被復合的概率越大，產生的光響應越小。

圖4 在表面不漏電和漏電下的InGaAs短波紅外探測器響應率曲線Fig.4

Responsivity curves of InGaAs short wavelength infrared detector without

and with surface leakage

量子效率η的計算式[19]如式(6)所示。

(6)

式中：λ為入射光波長；R為響應率；Ip為在波長為λ(對應為光子能量hυ)時，吸收入射光功率Popt所產生的光激發電流。

在表面漏電和不漏電下模擬得到的InGaAs短波紅外探測器的量子效率曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，表面漏電(S02=5×104 cm/s)的量子效率相比表面不漏電的量子效率降低了18%左右。相比于表面不漏電，表面漏電的少數載流子的壽命較小，載流子的復合率增大，這使得載流子沒有到達PN結之前，大多數的載流子已被復合，于是到達有源區的載流子數量相對較少，因此，量子效率比較低。 圖5 在表面不漏電和漏電下的InGaAs短波紅外探測器量子效率曲線Fig.5

Quantum efficiency curves of InGaAs short wavelength infrared detector

without and with surface leakage

3 結 語

本文采用ISE TCAD仿真軟件對InGaAs短波紅外探測器PIN結構的暗電流、總電流、響應率和量子效率進行了理論模擬研究，通過改變器件表面薄層的載流子壽命來建立表面漏電的等效模型，結果顯示表面漏電對于器件的暗電流、光電流、量子效率和光響應率都有較大影響。在考慮器件表面漏電情況下，器件暗電流和總電流變大，量子效率和光響應率變小，因此表面漏電影響器件的可靠性和穩定性。研究結果為紅外探測器件的設計與優化提供了理論依據。

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