臺面PN結InSb紅外探測器響應時間研究

馬 啟，鄧功榮，蘇玉輝，余連杰，信思樹，龔曉霞，陳愛萍，趙 鵬

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臺面PN結InSb紅外探測器響應時間研究

馬 啟，鄧功榮，蘇玉輝，余連杰，信思樹，龔曉霞，陳愛萍，趙 鵬

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

分析了光伏InSb探測器響應時間與量子效率、反向飽和電流的關系，設計出量子效率為0.61～0.56、響應時間為20～60ps的銻化銦（InSb）紅外探測器，實驗制備了臺面p＋-on-n結構的探測器。通過-、-測試驗證了制備的器件物理參數與設計值吻合。采用脈沖響應測試了InSb探測器的響應時間（0.3ms），由于封裝和其他分布電容的限制，響應時間測試值與理論計算值存在差距。

紅外探測器；銻化銦（InSb）；響應時間；量子效率；臺面PN結

0 引言

光子型紅外探測器是利用紅外輻射光子在半導體材料中激發(fā)非平衡載流子，引起電學性能變化，屬于內光電效應。由于內部電子直接吸收紅外輻射，不需要加熱物體的中間過程，因而光子探測器響應速度快[1-3]。InSb是Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半導體材料，是本征吸收的窄禁帶半導體，因此，決定紅外探測器優(yōu)質因子的量子效率較高；具有很高的電子遷移率（比硅高2個數量級）[4-6]。理論上，InSb光伏探測器非常適合于中波紅外的快速探測。

InSb光伏探測器，國際上普遍采用傳統(tǒng)的單晶體材料制備。本文根據探測器響應的機理，設計并制備了臺面PN結快響應InSb光伏探測器。通過器件-、-曲線和脈沖響應時間的測試，分析影響探測器響應時間的因素，并提出減小探測器響應時間的方法。

1 PN結光敏器件響應時間機理分析

PN結光電探測器對輻射信號的響應主要由芯片的響應時間和前放電路的響應時間決定。其中芯片的響應時間包括：①電中性區(qū)光生載流子擴散到耗盡區(qū)所需的時間；②光生載流子漂移通過耗盡區(qū)所需要的時間；③電時間常數，它與結電容及包括外電路阻抗在內的電阻有關。

1.1 p區(qū)少子擴散時間

假設光從p區(qū)入射，光生載流子在p區(qū)的擴散時間為[7]：

式中：p為p區(qū)厚度；n為電子擴散系數。

1.2 n區(qū)少子擴散時間

探測器的基區(qū)同樣存在輻射信號的吸收，n區(qū)光生載流子的擴散時間為[7]：

式中：p為空穴擴散長度；p為空穴壽命。

1.3 耗盡區(qū)漂移時間

飽和速度為d的載流子通過寬度為耗盡區(qū)的渡越時間r為[8]：

r＝/d(3)

式中：A、D為p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度；s為材料的相對介電常數；i為本征載流子濃度；0＝AD/(A＋D)為有效摻雜濃度。

1.4 電時間常數RC

結電容（D）主要是耗盡區(qū)電容（j）和焊盤電容（ox），有影響的電阻主要是串聯(lián)電阻（s）和外電路的負載電阻（L），這時響應時間為[9]：

D＝(L＋s)(j＋ox) (4)

式中：0是真空介電常數；j是結面積；BP是焊盤面積。

2 InSb探測器設計及制備

2.1 InSb探測器設計

PN結器件有臺面和平面兩種，本論文采用臺面結構。為獲得高性能、快響應的探測器，除了響應時間要短，還需要綜合考慮量子效率和暗電流因素：

1）量子效率與響應時間的關系

PN結光電器件響應時間主要受擴散時間、漂移時間和時間常數的限制。器件的量子效率受響應速度的限制，根據PN突變結光電二極管的量子效率[11]計算量子效率與響應時間的關系，計算結果如圖1、圖2、圖3所示：

式中：1＝e/e＝/(e/e)、2＝p/p＝/(p/p)；e為電子擴散長度；e為電子壽命。結合公式(1)、(2)并忽略表面反射，理論計算出量子效率與受擴散限制的響應時間關系。從圖1、圖2、圖3中可以得到，PN結InSb能夠滿足快響應和高量子效率紅外探測器的要求。

圖1 基區(qū)量子效率與擴散時間關系

圖2 p區(qū)量子效率與擴散時間關系

公式(3)表明漂移時間正比于耗盡層的寬度，而時間常數與耗盡區(qū)寬度成反比。因此在時間常數和耗盡區(qū)量子效率有關的渡越時間之間存在著一種權衡，對材料的摻雜濃度必須進行優(yōu)化。

圖3 量子效率和RC的關系

2）反向電流為[10]：

式中：p為空穴的擴散系數；為產生壽命。

器件反向飽和電流密度與D成反比，所以基區(qū)摻雜濃度不能太低，此外PN器件的0的大小與少子壽命和n區(qū)摻雜濃度的乘積成正比。另外，需要將表面漏電流降至最小，使得體內暗電流成為器件的主要暗電流成分。

3）InSb探測器結構設計及理論計算結果

通過響應時間和量子效率的理論計算可以明確，探測器在響應時間和量子效率之間必須折中；p區(qū)摻雜濃度對器件響應時間的影響很小，p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－3時器件0最佳[12]。另外，還需要考慮襯底濃度對器件歐姆接觸和串聯(lián)電阻的影響。

表1是不同摻雜濃度和p區(qū)厚度時各部分的響應時間和器件總響應時間的設計及結果。計算器件響應時間選用的參數為，n區(qū)摻雜濃度D＝1×1011～1×1015cm－3、基底厚度約為500mm、p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－2、p區(qū)厚度0.1～3.2mm、采用截止波長的吸收系數3500cm－3、反射系數＝0.3、負載電阻L＝50W。

理論計算時間常數時未考慮ox，實際中因取值不同，量子效率的大小存在一定的差異，p區(qū)厚度設計也會有所不同。由表1中的數據得到：①當p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－3，厚度0.8mm時，制約InSb器件響應時間的主要因素是n區(qū)載流子擴散時間，為了提高器件的響應時間，通過增加p區(qū)的厚度使p區(qū)量子效率增加、n區(qū)量子效率減小，使n區(qū)的光響應信號可忽略；②器件p區(qū)厚度為2.6～3.2mm時，器件響應時間減小、量子效率略小。

分析上述的研究結果，對器件結構參數進行優(yōu)化，器件最終設計為臺面PN結構，p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－3，厚度為2.6～3.2mm；n區(qū)摻雜濃度D＝1×1013～1×1014cm－3，厚度為500mm。所設計的探測器響應時間為20～60ps，反向電流密度與常規(guī)器件相比變化不大。

2.2 器件制備

對器件延伸電極和金屬引線的方式進行優(yōu)化設計，以減小分布電容的影響，器件采用摻碲n型單晶InSb體材料，經表面處理后，Be離子注入摻雜形成p-n結并退火和去除損傷層。光敏面為p-on-n臺面結構，通過光刻技術和濕法腐蝕工藝獲得不同的光敏面（直徑為200mm、1350mm和140mm×60mm）。采用PECVD制備SiO2鈍化層和磁控濺射制備Cr/Au金屬膜，抑制器件表面漏電和獲得極小的串聯(lián)電阻，保證器件性能的穩(wěn)定性，器件結構如圖4所示。

表1 不同摻雜濃度和p區(qū)厚度時各部分的響應時間和器件總的響應時間

圖4 InSb光伏器件結構示意圖

3 結果與討論

3.1 結果

將制備好的芯片液氮制冷到77K溫度下，分別采用Keithley 2400數字源表和KEYSIGHT B1500A半導體測試分析儀對器件進行-、-特性測試和脈沖響應時間測試。

1）器件-測試

圖5是不同光敏元尺寸（直徑為200mm、1350mm和140mm×60mm）的芯片在77K溫度下的電流-電壓特性曲線。從測試結果可以得到3種樣品的0均超過103Wcm2，并無明顯差異，說明這3種器件設計方法是合理的。

圖5 液氮溫度下不同光敏元的I-V曲線

PN結-曲線表明所制備的芯片具有較好的結特性，能滿足應用的要求。n區(qū)載流子濃度可以控制在較低的水平（1×1013～1×1014cm－3），抑制了器件的產生-復合電流，使得探測器的暗電流較小。

2）器件-測試

測試了芯片1MHz頻率下的-曲線，綜合考慮引線和測試系統(tǒng)帶來的分布電容，得到圖6。從圖中可以得到，零偏壓下芯片的電容約為19.5pF。通過公式(5)計算得到的電容為5 pF，小于實際測量值。原因是當器件結面積很小時ox是不能忽略的。另外，從測試結果擬合得到基區(qū)載流子濃度1.4×1013cm－3，與設計的摻雜濃度范圍吻合。

圖6 InSb器件電容-電壓曲線

依據公式(4)結合實際的工藝參數計算出了ox約為14.5pF。將計算得到的電容和ox相加，得到總的電容值接近于19.5pF。從測試和計算結果得到ox對器件總的電容有很大影響。為得到小的響應時間，需通過器件設計減小ox。

表2中，隨著器件的光敏面積和電學面積比值越大，器件的歸一化電容越小，當光敏面面積與電學面積之比大于80%時，可以獲得較小的結電容，將利于提高器件的響應時間。但當光敏面積逐漸接近結面積時，器件的串聯(lián)電阻將會增大。

表2 歸一化電容和面積的關系

將同一芯片封裝于普通杜瓦、高頻杜瓦中，液氮制冷到77K，測試了不同封裝下的-曲線（圖7）?？梢姡庋b和引線存在不小的分布電容，為使封裝后的探測器電容與芯片電容接近，需要對器件封裝和引線方式進行深入研究和改進。

3）脈沖響應時間測試

將芯片封裝到寶石窗口的金屬杜瓦中，液氮制冷后，采用帶寬為100MHz的電路作為探測器的前放電路，用中波紅外光源測試器件的響應時間，輸出信號采用示波器讀取（采用示波器光標讀取輸出信號的幅值，依據響應時間的定義，提取數據繪出響應時間圖）。實驗結果如圖8、圖9所示，普通探測器響應時間為0.8ms，快響應探測器響應時間為0.3ms，與理論計算的響應時間20～60ps存在不小差距，主要原因是：①整個封裝的管殼、杜瓦、引線的分布電容都會使器件總的電容增大，導致器件的時間常數增大；②前放電路帶寬制約了器件的響應時間，電路3dB截止頻率應大于器件的截止頻率，電路輸入阻抗還需要與探測器匹配。

圖7 不同封裝形式的電容

圖8 普通探測器響應時間

圖9 快響應探測器響應時間

3.2 討論

通過上述實驗的結果分析，可從以下方面進一步進行實驗：

1）通過合理的器件結構設計減小焊盤電容、接觸區(qū)的電容對整個器件電容影響；

2）應采用截止頻率更高的前放電路，以驗證快響應器件的響應時間；

3）制備的器件p區(qū)厚度依據經驗進行判斷，需要采用直接表征方法以驗證實際值與設計值的差距。

另外，增大表面復合速度，響應時間會變短，但以犧牲光電性能為代價；器件工作在適當的反向偏壓下，器件結電容減小，也可以提高器件的響應速度。為保證測試的響應時間盡可能接近真實值，需要設計新的封裝結構。

4 結論

本文根據光伏探測器響應時間理論，理論計算了響應時間與暗電流、量子效率的關系，設計出響應時間為20～60ps、量子效率為0.61～0.56的InSb紅外探測器，實驗制備了臺面p＋-n結構的探測器。通過器件-、-曲線的測試，驗證了最終制備的器件參數與設計值吻合。采用脈沖響應法測試了常規(guī)器件和快速響應器件的響應時間分別為0.8ms和0.3ms，但與理論計算值存在不小差距，主要原因是器件的焊盤電容和接觸區(qū)的電容對整個器件電容影響較大，下一步將繼續(xù)對其深入研究，盡可能減小兩者對器件快速響應的影響。

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Response of InSb Infrared Detector with Mesa PN Structure

MA Qi，DENG Gongrong，SU Yuhui，YU Lianjie，XIN Sishu，GONG Xiaoxia，CHEN Aiping，ZHAO Peng

(,650223,)

The relationships of response time, quantum efficiency and dark current of InSb photovoltaic detector are calculated theoretically. The preconditions were set up, in which the InSb infrared detector response time varies from 20ps to 60ps when quantum efficiency changes from 0.56 to 0.61. The mesa p＋-n structure is set for the detector as another condition. Through-,-curve test, the parameters of devices agree with designed values. The response time is 0.3ms with pulse response testing. There is inconsistency between theoretical values and experimental results，for limitations of bond pad capacitance and distributed capacitance.

infrared detector，InSb，response time，quantum efficiency，mesa PN structure

TN216

A

1001-8891(2016)04-0305-05

2016-01-15；

2016-04-02.

馬啟（1990-），男，云南大理人，碩士研究生，主要從事紅外探測器的研究，E-mail：minina07@163.com。

趙鵬（1972-），男，云南昆明人，研高工，主要從事紅外探測器的研究，E-mail：13700649519@139.com。