延伸波長InGaAs紅外探測器的實時γ輻照研究

2023年12月13日發(作者：幼兒三字經全文)

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延伸波長InGaAs紅外探測器的實時γ輻照研究

李淘;喬輝;李永富;唐恒敬;李雪;龔海梅

【摘 要】通過實時測試方法,研究了延伸波長InGaAs紅外探測器在55×104 rad的γ輻照下的電流-電壓特性變化,發現器件的暗電流沒有明顯變化,零偏電阻稍有變化,但變化的幅度很小.在輻照前后對器件的性能進行了測試,發現在輻照后器件的信號稍有下降,噪聲基本不變,說明在受到輻照后器件的探測性能略有下降.對器件在輻照前后的低頻噪聲進行了測試,發現整個低頻區的噪聲都沒有明顯的改變.這些結論表明γ輻照對延伸波長InGaAs器件的影響較小.

【期刊名稱】《激光與紅外》

【年(卷),期】2010(040)005

【總頁數】4頁(P511-514)

【關鍵詞】紅外探測器;InGaAs;γ輻照

【作 者】李淘;喬輝;李永富;唐恒敬;李雪;龔海梅

【作者單位】中國科學院上海技術物理研究所,傳感技術國家重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,紅外成像材料與器件重點實驗室,上海,200083;中國科學院研究生院,北京,100039;中國科學院上海技術物理研究所,傳感技術國家重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,紅外成像材料與器件重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,傳感技術國家重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,紅外成像材料與器件重點實驗室,上海,200083;中國科學院研究生院,北京,100039;中國科學院上海技術物理研究所,傳感技術國家重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,紅外成像材料與器件重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,傳感技術國家重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,紅外成像材料與器件重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,傳感技術國家重點實驗室,上海,200083;中國科學院上海技術物理研究所,紅外成像材料與器件重點實驗室,上海,200083

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN215

1 引 言

由 InGaAs材料制作的短波紅外探測器具有量子效率高、靈敏度高、可在室溫工作等優點,在儀器的小型化、降低紅外系統成本等方面具有很強的競爭力[1],國外已經成功將 InGaAs探測器應用在空間遙感等多個領域[2-4]。在國內,InGaAs探測器主要應用于光纖通訊領域,對于其空間應用仍然處于研究階段[5-6]。

目前,InGaAs探測器的一大發展趨勢即是響應波長向長波或短波方向進行擴展。通過增加InGaAs材料中 In的組分含量使材料的禁帶寬度相應減小,從而可使響應波長向長波方向擴展,即可得到延伸波長的 InGaAs探測器。而要將延伸波長InGaAs探測器應用到太空環境,必須要考慮到空間輻射中的電子、質子、中子或 γ射線對探測器造成的損傷,這是器件可靠性研究的一個重要方面。目前對于 InGaAs探測器輻照效應的研究進行得很少,而且主要是非實時輻照研究,即在輻照前后對器件進行性能對比測試[7]。而由于輻照停止后器件會在很短時間內發生弛豫性恢復,因此非實時研究不能真實反映出輻照下器件的變化。本文通過實時測試γ輻照下器件的電流 -電壓特性,并結合輻照前后器件的性能對比測試,研究了空間的重要輻射源

γ射線對延伸波長 InGaAs探測器的影響。 2 器件與測試

器件所采用的外延材料由中科院上海微系統與信息技術研究所提供,結構如表1所示。其中緩沖層采用了 In1-x Alx As,窗口層采用了寬禁帶的 In0.8 Al0.2 As。制備得到背照型與正照型兩種線列器件,采用濕法腐蝕臺面成型工藝,鈍化層采用 SiNx薄膜。背照型器件采用 In柱倒裝方式將光敏芯片和過渡電極板進行互連以便測試。

表1 外延材料參數Tab.1 the parameters of epitaxy layers

將封裝有器件的杜瓦置于輻照室內,通過屏蔽引線與控制室內的電流 -電壓(I-V)測試儀Keithley 6430型源 -測量單元相連接,如圖1所示,測試環境與器件均處于室溫下。輻照開始前對器件的I-V特性進行測試,然后開始固定劑量率(30 rad/s)的 γ輻照。隨著輻照時間的延長,器件的輻照劑量也逐漸增大,輻照劑量通過劑量率與輻照時間的乘積得到。輻照過程中對 I-V特性進行實時測試并作記錄。

圖1 γ輻照過程示意圖Fig.1 schematic diagram ofγirradiation

對器件的低頻噪聲測試采用安捷倫的動態信號分析儀 35670A進行。低頻噪聲測試系統如圖2所示。通過電流前置放大器將器件的噪聲信號放大輸入到動態信號分析儀中,經過 FFT分析得到噪聲的功率譜密度圖。電流前置放大器采用的是低噪聲前置電流放大器 DL1211,可以給輸入端提供 ±5 V的偏壓。所有測量均在避光和電屏蔽的條件下進行。

圖2 低頻噪聲測試系統框圖Fig.2 schematic diagram of the measurement

t-up for low frequency noi

3 實驗結果及討論

3.1 實時電流 -電壓特性

電流 -電壓特性測試是 InGaAs探測器性能表征的重要手段之一,通過 I-V測試可以獲取器件在不同偏壓下的暗電流特性、器件的動態零偏電阻,確定器件的優值因子

R0A,可以反映出探測器的性能優劣。 對背照 8#器件的實時電流 -電壓特性測試的結果如圖3所示。可見,在實時測試中,輻照劑量從0逐步增大到 55×104 rad,器件的 I-V曲線基本重合,暗電流并沒有明顯變大。圖4是 8#器件的 R0值隨著輻照劑量的增大而變化的曲線圖。可見,隨著輻照劑量的增大,R0逐漸變小,但變化的幅度不大,最多變小了 1.69%。

對正照 6#器件的實時電流 -電壓特性測試的結果和 8#器件一致,輻照劑量增大,器件的 I-V曲線基本重合,暗電流沒有明顯變化。圖5是 6#器件的 R0值隨著輻照劑量的增大而變化的曲線圖,隨著輻照劑量的增大,R0稍變大,但變化的幅度不大,最多變大了 2.03%。

圖3 背照 8#器件的實時 I-V特性Fig.3 Real-time I-V characteristics of back-illuminated device 8#

圖4 背照 8#器件的R0變化曲線Fig.4 R0 of back-illuminated device 8#

圖5 正照 6#器件的R0變化曲線Fig.5 R0 of front-illuminated device 6#

γ輻照對器件產生影響主要是因為其會在半導體材料中產生位移效應和電離效應[8],電離效應的重要結果就是使載流子的濃度增加,位移效應則是在半導體中產生位移損傷,產生點缺陷或缺陷團,引入處于禁帶中央附近的深能級,會導致產生 -復合電流的增大,使暗電流變大。此外,輻照還可能會產生表面效應,增大表面復合速度和引入表面態,使得表面漏電流變大。黃楊程[7]在研究 γ輻照對 In0.53 Ga0.47 As探測器的影響時就發現隨著輻照劑量的增大器件暗電流是逐步增大的。而我們的實驗中 8#,6#器件的暗電流并沒有明顯變化,這一方面可能是因為輻照劑量相對不太大,效應未明顯表現出來;另一方面更重要的是與器件的結構有關,延伸波長器件中吸收層 In0.8 Ga0.2 As與襯底的晶格失配較大,器件中的位錯等缺陷密度較大,使得器件暗電流中的產生 -復合電流成分本就較大,在輻照劑量不太大時,輻照額外引入的暗電流不能明顯表現出來,因此器件的暗電流沒有明顯的規律性變化,R0值的變化也非常小,甚至略有增大(6#器件)。 3.2 信號與噪聲

在輻照前后對正照與背照器件的信號與噪聲按照常規的黑體測試方法進行了測試,黑體溫度900 K,孔徑 5 mm,測試距離 16 cm,調制頻率 800 Hz,帶寬80 Hz,信號與噪聲測試時電流前置放大器均采用10-8 A/V的放大倍數,測試結果如表2所示。可見,輻照前后信號稍有變小,這可能是由于輻照在器件中產生的缺陷能級可以復合掉光生載流子,從而造成器件的響應率降低。而輻照前后噪聲基本無變化,所以輻照后器件的信噪比稍有下降,也即其探測率略有變小,但變化程度較小。這說明在受到

55×104 rad的 γ輻照后,器件的探測性能稍有下降。

表2 輻照前后的信號與噪聲對比Tab.2 the signal and noi before irradiation

and after irradiation

3.3 低頻噪聲

在用圖2所示的低頻噪聲測試系統對器件輻照前后的低頻噪聲進行測試,其結果如圖6、圖7所示。可見,器件在輻照前后的低頻噪聲基本無變化,說明不僅僅是常規噪聲測試得到的噪聲數值前后無變化,整個低頻區的噪聲都沒有明顯的改變,表明0～55×104 rad的γ輻照對器件的低頻噪聲無明顯影響。

圖6 背照 8#器件輻照前后的低頻噪聲Fig.6 low frequency noi of back-illuminated device 8#before and after irradiation

圖7 正照 6#器件輻照前后的低頻噪聲Fig.7 low frequency noi of front-illuminated device 6#before and after irradiation

4 結 論

實時測試了延伸波長 InGaAs紅外探測器在 γ輻照下的電流 -電壓特性,結果發現:在輻照劑量55×104 rad下,正照與背照器件的暗電流均沒有明顯變化;隨著輻照劑量的增大,器件的零偏電阻稍有變化,但變化的幅度很小。輻照前后對器件的性能進行了測試,發現在輻照后器件的信噪比稍有下降,說明在受到 55×104 rad的輻照后,器件的探測性能稍有下降。對器件在輻照前后的低頻噪聲進行了測試,發現整個低頻區的噪聲都沒有明顯的改變。這些結果均表明 55×104 rad的 γ輻照對延伸波長InGaAs器件沒有明顯的影響。

參考文獻:

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[7] 黃楊程,曹光明,劉大福,等.InGaAs紅外探測器的 γ輻照研究[J].功能材料與器件學報,2005,11(1):68-70.

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