碲鎘汞長波探測器暗電流優(yōu)化模擬

李 龍，孫 浩，朱西安

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

HgCdTe具有帶隙可調(diào)，光吸收系數(shù)大，載流子壽命長，電子遷移率高等優(yōu)點，自1959年提出以來一直都作為制備紅外焦平面探測器的首選材料［1］。由HgCdTe材料制備的紅外探測器在整個紅外波段都具有很高的光子吸收率;而且工作溫度較高(77K)，具有很高的探測性能，在過去的五十多年中，HgCdTe紅外探測器在氣象，地球觀測、醫(yī)療、通訊、軍事等方面均取得了長足的進步［2］。目前已發(fā)展到了第三代紅外焦平面探測器，器件呈現(xiàn)高集成度、高工作溫度、低成本等特點［3－4］。而其暗電流水平是決定探測器性能的關(guān)鍵要素，直接影響到紅外系統(tǒng)的目標識別距離和虛警率，必須研究并盡量減小暗電流的影響，因此對HgCdTe紅外探測器的暗電流研究具有非常重要的理論和實際意義。

借助于公式算法或者軟件進行器件工藝仿真模擬是個不錯的方向，國內(nèi)外有很多利用算法以及軟件對 HgCdTe 材料及器件進行仿真模擬［5－12］，取得了不錯的效果，極大地節(jié)約了金錢和時間成本。本篇文章基于Silvaco半導(dǎo)體仿真軟件，針對HgCdTe長波探測器的暗電流進行仿真模擬，建立相應(yīng)長波器件二維模型，分析了不同器件參量對器件暗電流的影響，并針對重要參量對其器件復(fù)合速率，暗電流分布以及載流子分布進行了計算對比，取得了預(yù)期的效果。

2 數(shù)值模型

利用Devedit交互界面進行器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計和有限元網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)簡化模型如圖1所示。器件為Hg空位形n-on-p器件，P區(qū)、N區(qū)的Cd組分值x一致，為一同質(zhì)平面結(jié)，x=0.22。器件的電極以及接觸孔刻蝕損傷對器件暗電流的影響忽略不計，表面鈍化層的影響則以HgCdTe表面態(tài)作為邊界條件簡化，結(jié)區(qū)分布近似高斯分布，P和N分別代表p區(qū)和n區(qū)電極。軟件顯示坐標為對數(shù)系坐標，例如 15.5/cm3實際上為 5×1015/cm3，依此類推。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)簡化圖

定義好數(shù)值模型后，通過改變不同設(shè)計、工藝參量，計算暗電流隨電壓的變化曲線，并求取動態(tài)電阻，計算出器件的品質(zhì)因子R0A，用品質(zhì)因子作為衡量器件的暗電流水平的標準，研究分析其隨參量的變化，確定工藝以及設(shè)計參量可以接受的范圍，為器件工藝的制備及設(shè)計提供參考。

圖2 仿真與實際R0A的比較

經(jīng)過與實際測量的動態(tài)電阻曲線比較(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果還是比較貼近實際結(jié)果的，特別是R0A，與實際結(jié)果相差無幾，所以用仿真對其進行研究是可以說明問題的。下面將詳細討論不同參量對器件暗電流的影響。

3 結(jié)果及討論

3.1 載流子壽命

針對n-on-p型器件，p區(qū)電子的壽命對器件的性能影響最大，這里近似認為p區(qū)電子壽命為器件的載流子的壽命，來研究載流子壽命與暗電流的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 R0A和載流子壽命的關(guān)系

p區(qū)電子壽命在10－6s到10－8s之間，品質(zhì)因子保持在一個較高的水平(15Ω·cm2左右)，在10－8s到10－11s之間品質(zhì)因子會隨著壽命的減小而緩慢下降，當(dāng)?shù)竭_10－11s時趨于平緩，所以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝控制，要盡量減小缺陷和載流子濃度對壽命的影響，把壽命保持在10－8s以上會使得器件具有一個較好的性能，下面也將具體研究深能級缺陷和p區(qū)受主濃度對器件性能的影響。

3.2 深能級缺陷

探測器制備過程中總會不可避免的引入一些雜質(zhì)或者缺陷，特別是HgCdTe材料，Hg原子非常容易逸出，會在體內(nèi)形成大量的Hg空位，這些Hg空位非常容易和雜質(zhì)離子或原子結(jié)合，形成深能級中心，增加非平衡載流子的復(fù)合率，減小載流子壽命(τSRH)，影響器件性能，假定深能級缺陷位置在禁帶中央，R0A和深能級缺陷密度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 R0A和缺陷密度的關(guān)系

當(dāng)深能級缺陷密度低于5×1015/cm3，器件有一個較好的品質(zhì)因子，材料器件工藝要盡量把缺陷密度控制在這個范圍之內(nèi)，當(dāng)超過這個范圍，復(fù)合速率會迅速上升，大幅減小載流子壽命。如圖5所示，對比了缺陷密度為2×1014/cm3，2×1018/cm3時的復(fù)合速率以及暗電流分布，后者的復(fù)合速率比前者大了三個數(shù)量級，這將產(chǎn)生非常大的產(chǎn)生復(fù)合電流，和圖中仿真結(jié)果一致，后者的暗電流密度遠遠大于前者，仿真計算得出在工作狀態(tài)下深能級缺陷密度為2×1018/cm3時的暗電流輸出為200 nA，超過了一般目標的光信號以及讀出電路的飽和電流，嚴重影響了器件的工作性能。

圖5 不同缺陷密度的復(fù)合速率和暗電流分布

3.3 表面態(tài)

表面態(tài)會引起表面漏電流，這是暗電流的主要來源之一，主要分為表面復(fù)合電流以及表面溝道電流，會對器件性能產(chǎn)生嚴重影響，如圖6和圖7所示。表面態(tài)在1×1010/cm2左右時，器件的暗電流主要集中在結(jié)區(qū)以及電極附近，主要是產(chǎn)生復(fù)合電流以及擴散電流等體內(nèi)暗電流為主，表面漏電相比之下很小，器件的品質(zhì)因子保持在一個良好的水平;當(dāng)表面態(tài)到達2×1011/cm2，電極之間開始有輕微的反型溝道，這是表面漏電還是以復(fù)合電流為主，當(dāng)表面態(tài)繼續(xù)增加，溝道會迅速增大，品質(zhì)因子迅速減小并趨向于0;當(dāng)?shù)竭_8×1011/cm2時，溝道完全開啟，探測器呈現(xiàn)電阻特性，器件的暗電流基本全部為表面溝道電流，品質(zhì)因子接近于0，器件性能完全喪失。由圖6可以看出表面態(tài)小于2×1011/cm2時，器件都會有一個良好的性能。

圖7 不同表面態(tài)密度的暗電流分布

3.4 p區(qū)受主濃度

首先，仿真假定改變p區(qū)受主濃度，不會產(chǎn)生任何缺陷，研究暗電流和p區(qū)受主濃度的關(guān)系:隨著濃度的上升，雖然p區(qū)電子的壽命下降，但是p區(qū)的電子濃度同時也會大幅減小，p區(qū)濃度增加會使電子濃度下降，最后經(jīng)過仿真計算，R0A增加，如圖8所示，在器件在p區(qū)受主濃度大于2×1016/cm3的情況下能保持一個較好的數(shù)值。

圖8 R0A和p區(qū)受主濃度的關(guān)系

但是一方面增加p區(qū)受主濃度需要改變退火等工藝條件，這些改動可能會帶來不利的影響:如增加激活的雜質(zhì)濃度，增加Hg空位缺陷等，這些都會導(dǎo)致暗電流上升，使得器件性能變差，而這方面變化是現(xiàn)有仿真無法準確模擬的，只能通過實際工藝來獲得;二是有些證據(jù)表明，保持一個非常低的電子濃度，會使得器件變得十分不穩(wěn)定;而且電子的濃度減小，也會使得相應(yīng)的光信號減小。所以p區(qū)的摻雜濃度的選擇應(yīng)該在2×1016/cm3以上，根據(jù)具體工藝水平和需求選擇合適的濃度。

3.5 p區(qū)厚度

p區(qū)厚度與品質(zhì)因子的關(guān)系如圖9所示，在固定電壓下的pn結(jié)的電阻可以近似的等效為兩個電阻R1、R2的并聯(lián)結(jié)構(gòu):以n區(qū)厚度為界，R1為電流橫向流過pn結(jié)的電阻;R2為電流縱向通過pn結(jié)，流過p區(qū)底部的電阻，如圖10所示，可見隨著p區(qū)厚度的增加，實際上是增加R2橫截面積，使得R2減小，減小了器件的并聯(lián)電阻，暗電流上升，這和文獻［9］的仿真結(jié)果類似，通過曲線發(fā)現(xiàn)，p區(qū)厚度最好保持在8 μm以下，考慮到n型注入?yún)^(qū)的深度不容易控制，過低的p區(qū)厚度會造成n區(qū)直接導(dǎo)通，但一般的注入?yún)^(qū)深度不會超過4 μm，所以p區(qū)厚度以5～8 μm為宜。

3.6 n區(qū)尺寸

品質(zhì)因子隨著n區(qū)厚度及寬度的變化趨勢如圖11所示，等效模型同上，當(dāng)n區(qū)厚度增加，實際上是減小R1，增大R2，兩者互相作用，經(jīng)過仿真:隨著n區(qū)厚度的增加，動態(tài)電阻實際上是成一個波動下降的趨勢(圖11(a));而增大注入?yún)^(qū)寬度，則會同時減小R1，R2，品質(zhì)因子會隨著注入?yún)^(qū)的增大而減小(圖11(b))，這也和仿真結(jié)果相吻合，但是總體來說這個范圍內(nèi)，n區(qū)的尺寸對器件的品質(zhì)因子影響不大，對于注入?yún)^(qū)的尺寸設(shè)計可以優(yōu)先考慮其他因素(如MTF，串音等)。

圖11 R0A和n區(qū)尺寸的關(guān)系

4 總結(jié)

運用silvaco半導(dǎo)體軟件仿真計算了不同參量對暗電流的影響，得出了較好的范圍，并對重要參量，針對器件的電流分布，復(fù)合速率分布，載流子分布進行了模擬分析，模擬時特別注意了簡化模型和實際器件的區(qū)別，考慮了實際工藝水平的影響。計算表明R0A是隨著載流子壽命的減小而減小;隨著深能級缺陷，表面態(tài)密度的增加而減小;p區(qū)受主濃度增加，p區(qū)厚度減小，n區(qū)厚度和深度的減小會使R0A增加。實際上要獲得較低的暗電流，盡量控制缺陷密度低于5×1015/cm3;表面態(tài)密度低于2×1011/cm2;載流子壽命高于10ns;p區(qū)受主濃度結(jié)合工藝水平控制在2×1016/cm×3以上，p區(qū)厚度控制在5～8 μm。n區(qū)尺寸對暗電流影響較小，可以優(yōu)先考慮其他因素。

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