新型復(fù)合蓋層延伸波長InGaAs紅外探測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

趙 旭，繆國慶，張志偉，曾玉剛

(1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

新型復(fù)合蓋層延伸波長InGaAs紅外探測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

趙 旭1，2，繆國慶1*，張志偉1，曾玉剛1

(1.發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

設(shè)計并模擬計算了延伸波長至2.6μm的復(fù)合蓋層材料PIN結(jié)構(gòu)In0.82Ga0.18As紅外探測器，即PNN型蓋層、PIN結(jié)構(gòu)的In0.82Ga0.18As紅外探測器。研究了不同厚度及載流子濃度的PNN蓋層對探測器性能的影響。研究結(jié)果表明：在In0.82Al0.18As厚度為200 nm且載流子濃度為2E18、InAs0.6P0.4厚度為50 nm且載流子濃度為2E17、In0.82Ga0.18As厚度為50 nm且載流子濃度為2E16時，探測器表現(xiàn)出最佳的性能。與傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)探測器相比，其相對光譜響應(yīng)度僅降低10%，暗電流降低了1個數(shù)量級。計算分析了不同工作溫度下的暗電流，結(jié)果顯示：在120～250 K時，暗電流主要為缺陷隧穿電流；在250～300 K時，暗電流主要為帶間隧穿電流；當(dāng)溫度大于300 K時，暗電流主要為產(chǎn)生-復(fù)合電流和擴散電流。

紅外探測器；APSYS；蓋層；光譜響應(yīng)度；暗電流

1 引 言

工作在1～3μm的近紅外探測器件在空間遙感、大氣監(jiān)測、資源勘探等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用［1］。InGaAs材料可以覆蓋1～3μm近紅外波段，具有高吸收系數(shù)、高遷移率、高工作溫度下高探測率(輕量化)、良好的均勻性和穩(wěn)定性(高可靠)、優(yōu)秀的空間抗輻照性能(長壽命)等優(yōu)點，因此，InGaAs探測器是近年來最具發(fā)展前景的近紅外探測器［2］。但是，較高的暗電流是制約InGaAs探測器發(fā)展和應(yīng)用的主要問題。由于PIN結(jié)構(gòu)紅外探測器制作工藝簡單、響應(yīng)度高，所以目前在設(shè)計器件時一般都采用該結(jié)構(gòu)［3］。在器件實際制作之前，對其結(jié)構(gòu)和性能進行模擬、優(yōu)化，能大大節(jié)約資源，提高效率。對于通信用的In0.53Ga0.47As探測器和APD結(jié)構(gòu)InGaAs紅外探測器，已經(jīng)有了大量的研究報道。一種模擬的方法是使用SPICE電路模型模擬器［4］對材料、結(jié)構(gòu)不同的光電探測器建立對應(yīng)的電路模型，研究其光電特性；另外一種就是基于載流子連續(xù)性方程和泊松方程建立器件模型，利用數(shù)值計算工具進行器件特性的分析［5-6］。

利用模擬計算的方法優(yōu)化延伸波長InGaAs探測器的器件結(jié)構(gòu)，從而有效提高器件光電性能是一項非常有意義的工作。本文在驗證了APSYS可靠性的基礎(chǔ)上，開展了高性能延伸波長InGaAs近紅外探測器的研究。首次采用APSYS軟件建立了完整的PNN復(fù)合蓋層InGaAs紅外探測器單元器件模型，通過調(diào)整蓋層材料、厚度、載流子濃度等參數(shù)，優(yōu)化了PIN型延伸波長至2.6 μm的InGaAs紅外探測器器件結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的器件暗電流可以降低一個數(shù)量級，而光譜響應(yīng)度僅降低10%。在此基礎(chǔ)上，通過模擬不同工作溫度下的暗電流曲線，分析和解釋了不同工作溫度下的暗電流機制。

2 實 驗

采用Crossright公司設(shè)計的APSYS對InGaAs紅外探測器進行模擬計算。APSYS是一款2D/ 3D有限元分析軟件，它包括了許多物理模型，例如熱載流子輸運、異質(zhì)結(jié)模型、熱分析等，擁有強大的模擬功能。這里我們基于漂移-擴散模型，通過求解自洽解泊松方程、電流連續(xù)性方程來得到較為精確的模擬曲線［7-9］，對器件進行優(yōu)化及設(shè)計。

首先在APSYS中建立器件結(jié)構(gòu)模型，調(diào)用物理模型(泊松方程、電流連續(xù)性方程、光子波動方程、光子速率方程、光子增益方程等)，參考軟件數(shù)據(jù)庫設(shè)置詳細(xì)的控制條件(各層載流子遷移率、載流子壽命、電壓、復(fù)合速率等)，編輯輸出命令集合(暗電流、光電流、光譜響應(yīng)度等)，得到暗電流和光譜響應(yīng)度的模擬結(jié)果。然后，通過調(diào)整蓋層(P、N1、N2)厚度和載流子濃度等來使暗電流和光譜響應(yīng)度的綜合指標(biāo)達到最佳。

3 結(jié)果與討論

3.1 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

為了驗證APSYS模擬PIN型延伸波長In-GaAs近紅外探測器的可靠性，我們對InP蓋層和InAs0.6P0.4蓋層的InGaAs探測器進行了模擬，并與實驗結(jié)果進行了對比。兩種探測器襯底均為InP，摻雜濃度為2E18；緩沖層分別為100 nm和80 nm的In0.82Ga0.18As，摻雜濃度為2E18；吸收層分別為2.9μm和3.1μm的In0.82Ga0.18As，本征載流子濃度為3E16；蓋層為0.9μm InAs0.6P0.4和3.1μm InP，摻雜濃度為2E18［10-12］。

圖1為模擬計算和實驗測得的器件相對光譜響應(yīng)度的對比，從圖中可以看出二者較為接近。實驗測得的相對光譜響應(yīng)度略小于模擬計算出的值，這是因為模擬計算是在理想條件下進行的，而實驗制作的器件要受到實際工藝技術(shù)水平的制約。另外，實驗測得的相對光譜響應(yīng)度在1.38μm和1.9μm處出現(xiàn)了波動，這主要是由于紅外輻射中的一部分被空氣中的CO2和H2O吸收所致。

圖2為模擬計算和實驗測得器件暗電流的對比，由圖可知二者極為接近。同樣，實驗暗電流略大于模擬計算所得暗電流，這是由實際工藝條件造成的。綜合上面的比較，我們可以得出結(jié)論，用APSYS對PIN延伸波長探測器進行模擬計算是精確、可靠的。

3.2 新型復(fù)合蓋層InGaAs紅外探測器優(yōu)化設(shè)計

在驗證模型之后，我們設(shè)計了一種新的結(jié)構(gòu)：復(fù)合型蓋層延伸波長InGaAs探測器。即蓋層中采用PNN結(jié)構(gòu)，以期提高器件性能。

使用InGaAs蓋層不僅容易生長而且可以減少與吸收層之間的晶格失配，減少位錯，降低暗電流；而采用InAsP、InAlAs作為蓋層，則會使In0.82-Ga0.18As材料的表面鈍化，從而降低表面復(fù)合率。為了提高器件的量子效率，減少晶格失配帶來的位錯，我們用Vegard定律計算得到與In0.82Ga0.18As晶格匹配的兩種蓋層應(yīng)為In0.82Al0.18As/InAs0.6P0.4。另外，本征的In0.82Ga0.18As吸收層相對于重?fù)诫s的蓋層和N型緩沖層與襯底來說是高阻層，可以有效抑制載流子熱擴散電流，從而降低器件的暗電流，提高器件的靈敏度。根據(jù)Piotrowski［13］提出的理論模型，吸收層的厚度在2～3μm時，探測器的探測率［14］最大。因此，綜合探測器的探測率和量子效率等各方面的因素，我們設(shè)計 In0.82-Ga0.18As本征吸收層的厚度為2.5μm，這樣可以在保證響應(yīng)速度的同時盡可能提高量子效率。

圖1 相對光譜響應(yīng)度對比。(a)InP蓋層InGaAs探測器的模擬結(jié)果；(b)InP蓋層InGaAs探測器的實驗結(jié)果；(c) InAs0.6 P0.4蓋層InGaAs探測器的模擬結(jié)果；(d)InAs0.6 P0.4蓋層InGaAs探測器的實驗結(jié)果。Fig.1 Comparison of the response.(a)Simulation resultof InGaAs detectorwith InP cap.(b)Experiment resultof InGaAs detector with InP cap.(c)Simulation result of InGaAs detector with InAs0.6 P0.4 cap.(d)Experiment result of InGaAs detector with InAs0.6 P0.4 cap.

圖2 暗電流對比Fig.2 Comparison of the dark current

綜上所述，計算中采用的模擬參數(shù)為：襯底為1μm的N型InP材料，載流子濃度為2E18；緩沖層為1μm的N型InxAl1-xAs(x=0.52～0.82)漸變組分緩沖層，載流子濃度為2E18；吸收層為2.5 μm的Ⅰ型In0.82Ga0.18As材料，載流子濃度為3E16；在蓋層的PNN結(jié)構(gòu)中，P層為In0.82Al0.18As，N型分別為InAs0.6P0.4和In0.82Ga0.18As。

PNN蓋層各層厚度模擬計算數(shù)值如表1所示。在確定最佳厚度后，我們進一步調(diào)整載流子濃度取值范圍，載流子濃度從1E16到2E18，每隔1E16(1E17、1E18)取一個值。

通過比較暗電流和相對光譜響應(yīng)度，我們得出優(yōu)化后的器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖4所示為PNN復(fù)合蓋層InGaAs探測器在最佳載流子濃度下的相對光譜響應(yīng)度曲線。在外加反向偏壓為0～0.1 V時，優(yōu)化后的器件暗電流密度為10-5數(shù)量級，比常規(guī)的(10-4)小一個數(shù)量級。圖5為優(yōu)化后器件的相對光譜響應(yīng)度曲線，由圖可知它的長波截止波長為2.6μm，短波截止波長約為0.9μm。相對光譜響應(yīng)度的峰值出現(xiàn)在2.0μm處，比常規(guī)的PIN型InGaAs紅外探測器峰值小10%，對器件性能影響不大。綜上所述，圖3所示的器件結(jié)構(gòu)大大提高了InGaAs紅外探測器的性能。

表1 InAlAs/InAsP/InGaAs蓋層厚度Table 1 Thickness of InAlAs/InAsP/InGaAs cap

圖3 優(yōu)化后的PNN復(fù)合蓋層InGaAs探測器結(jié)構(gòu)Fig.3 InGaAs detector device structure with optimized PNN cap

圖4 PNN復(fù)合蓋層InGaAs探測器在最佳載流子濃度下的暗電流I-V曲線Fig.4 I-V characteristic(dark)of the detector with PNN cap at the optimum concentration

圖5 PNN復(fù)合蓋層InGaAs探測器在最佳載流子濃度下的相對光譜響應(yīng)度曲線Fig.5 Relative spectral responisivity of the detector with the PNN structure at the optimum concentration

3.3 暗電流機制的分析

為了探究暗電流機制，我們模擬計算了優(yōu)化后的InGaAs探測器在不同工作溫度下的暗電流。圖6為暗電流隨1 000/T的變化關(guān)系。我們知道，產(chǎn)生-復(fù)合電流、擴散電流、界面復(fù)合電流和隧穿電流［15］為InGaAs紅外探測器暗電流的4種機制。擴散電流［16］主要為耗盡層邊緣的熱激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子從P區(qū)、N區(qū)向耗盡層擴散形成的電流；產(chǎn)生-復(fù)合電流［17］主要為熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子在電場的作用下由勢壘區(qū)向勢壘兩邊漂移而形成的電流；界面復(fù)合電流主要為由于材料體系的失配位錯而產(chǎn)生的界面電流；隧穿電流主要為隧道效應(yīng)而產(chǎn)生的電流，按照載流子穿越禁帶方式的不同，分為帶間隧穿電流和缺陷隧穿電流［18］。

圖6 器件暗電流隨溫度(1 000/T)的變化關(guān)系Fig.6 Reverse current curve of the detector vs.temperature (1 000/T)

擴散電流和產(chǎn)生-復(fù)合電流都與1 000/T成線性關(guān)系。所以在溫度大于300 K(圖中Ⅰ區(qū))時，暗電流主要為擴散電流和產(chǎn)生-復(fù)合電流；在250～300 K區(qū)間(圖中Ⅱ區(qū))，接近線性變化，但斜率小于Ⅰ區(qū)，此時暗電流主要為帶間隧穿電流；當(dāng)溫度低于250 K(圖中Ⅲ區(qū))時，曲線幾乎不變，此時暗電流主要為缺陷隧穿電流。

4 結(jié) 論

通過一系列模擬計算，得到了性能優(yōu)于常規(guī)延伸波長的InGaAs紅外探測器新結(jié)構(gòu)——PNN復(fù)合蓋層的PIN型InGaAs探測器結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)PNN蓋層分別為0.2μm厚的載流子濃度為2E18的In0.82Al0.18As，50 nm厚的載流子濃度為2E17的InAs0.6P0.4，50 nm厚的載流子濃度為2E16的In0.82Ga0.18As。與常規(guī)InGaAs探測器相比，設(shè)計并優(yōu)化后的新器件的暗電流小了一個數(shù)量級，而相對光譜響應(yīng)僅下降10%。在工作溫度低于280 K時，新器件暗電流主要為缺陷隧穿電流；工作溫度在280～300 K之間時，暗電流主要為帶間隧穿電流；工作溫度在300 K以上時，暗電流主要為產(chǎn)生-復(fù)合電流和擴散電流。

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Structural Design and Optim ization of Novel Com posite Cap Extended W avelength InGaAs Infrared Detector

ZHAO Xu1，2，MIAO Guo-qing1*，ZHANG Zhi-wei1，ZENG Yu-gang1
(1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanicsand Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China) *Corresponding Author，E-mail：miaogq@ciomp.ac.cn

The near-infrared detector of In0.82Ga0.18As with PIN structure was designed and simulated by APSYS.The long-wave cutoffwavelength was extended to 2.6μm.Three doped layerswere deposited on the absorption layer，which contained P type N type，N type and by growth order.The thickness and concentration of each doped layer in cap layer were analyzed.The results show that In0.82Ga0.18As，InAs0.6P0.4and In0.82Al0.18As layers by growth order are determined to obtain the excellent performance.The relative spectral responsivity of the detector keeps almost the same，and dark current decreases by onemagnitude compared with the PIN structure.The defect tunneling current predominates when the detector works at 120-250 K，the inter-band tunneling current dominates the dark currentwhen the detector works at 250-300 K，and the G-R current and diffusion current dominates the dark currentwhen the detector works above 300 K.

infrared detector；APSYS；cap layer；responsivity；dark current

“973”國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(2012CB619201)資助項目

O472.3

A

10.3788/fgxb20153601.0075

1000-7032(2015)01-0075-05

2014-08-12；

2014-09-11

趙旭(1986-)，男，吉林松原人，碩士研究生，2010年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體光電器件模擬方面的研究。E-mail：zhaoxu8137@163.com

繆國慶(1964-)，男，吉林德惠人，研究員，博士生導(dǎo)師，1992年于中國科學(xué)院長春物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體光電子材料和器件方面的研究。E-mail：miaogq@ciomp.ac.cn