子像元結(jié)構(gòu)碲鎘汞光伏器件暗電流特性的研究

喬 輝，李向陽(yáng)

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子像元結(jié)構(gòu)碲鎘汞光伏器件暗電流特性的研究

喬 輝，李向陽(yáng)

（中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 中科院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083）

針對(duì)碲鎘汞光伏器件的暗電流隨著物理面積增大而急劇增加，研究了子像元結(jié)構(gòu)在降低大面積短波碲鎘汞光伏器件暗電流方面的有效性。發(fā)現(xiàn)子像元結(jié)構(gòu)在室溫下相比常規(guī)結(jié)構(gòu)可以有效降低器件的暗電流，但當(dāng)溫度降到180K時(shí)，常規(guī)結(jié)構(gòu)器件反而具有最小的暗電流，經(jīng)過分析認(rèn)為是子像元邊界處引入的表面漏電所致。如果器件的表面態(tài)密度和表面固定電荷過多，會(huì)使得子像元邊界在低溫下引入表面隧穿電流和表面歐姆電流，這些與邊界有關(guān)的表面漏電會(huì)成為低溫下暗電流的主要成分，從而使子像元結(jié)構(gòu)失去降低器件暗電流的優(yōu)勢(shì)。文章中同時(shí)給出了低溫下子像元結(jié)構(gòu)可以有效降低器件暗電流的條件，并針對(duì)不同的子像元結(jié)構(gòu)，提出了漏電體積這一參量來評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)子像元降低器件暗電流的效果。

暗電流；子像元；光伏器件；漏電體積；碲鎘汞

0 引言

隨著紅外探測(cè)在各種航天遙感應(yīng)用中的普及，許多的紅外探測(cè)需求都需要具有較大光敏感面積的紅外探測(cè)器，比如風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星中用于高光譜大氣垂直探測(cè)的碲鎘汞光伏器件，其光敏面為1.25mm，嫦娥五號(hào)探月項(xiàng)目中用于月球礦物探測(cè)的短波紅外探測(cè)器，要求感光面積為1mm×1mm，并且器件在近室溫工作。所有這些技術(shù)要求對(duì)紅外探測(cè)器研制都提出了新的挑戰(zhàn)，其中一個(gè)主要的問題是隨著光敏面積的增大和工作溫度的提高，器件的暗電流水平會(huì)急劇增加。通常來說，與器件暗電流有關(guān)的電學(xué)缺陷和漏電通道只有位于結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)內(nèi)才會(huì)對(duì)器件的暗電流有明顯貢獻(xiàn)，那么很容易想到的一個(gè)降低暗電流的方法便是減少結(jié)區(qū)面積。pn結(jié)的少子擴(kuò)散收集效應(yīng)使通過電學(xué)方法來降低結(jié)區(qū)面積這一方案成為現(xiàn)實(shí)[1-2]。所謂少子擴(kuò)散收集效應(yīng)是指產(chǎn)生的少子在距離結(jié)區(qū)電場(chǎng)一個(gè)載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度的距離時(shí)，會(huì)通過擴(kuò)散效應(yīng)到達(dá)結(jié)區(qū)電場(chǎng)而被收集，這樣可以在光敏面內(nèi)形成多個(gè)子注入?yún)^(qū)即子像元，在子像元之間的區(qū)域，光照產(chǎn)生的載流子會(huì)通過少子擴(kuò)散收集效應(yīng)到達(dá)結(jié)區(qū)從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，因此這一結(jié)構(gòu)大大降低了注入?yún)^(qū)的面積，從而降低了位于或穿過結(jié)區(qū)的電學(xué)缺陷和漏電通道數(shù)量，從而達(dá)到降低器件暗電流的目的。本文中采用不同的子像元結(jié)構(gòu)制備得到短波大面積碲鎘汞單元光伏器件，并對(duì)其電學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 器件原理與制備

子像元碲鎘汞光伏器件的原理如圖1所示，圖1(a)中給出的是常規(guī)的pn結(jié)光伏器件，通過耗盡區(qū)及兩側(cè)的中性區(qū)產(chǎn)生的光生載流子在垂直方向的漂移或者擴(kuò)散-漂移運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的探測(cè)。圖1(b)中給出的子像元光伏器件則是主要通過子像元之間的中性區(qū)產(chǎn)生光生的光生載流子在水平方向的擴(kuò)散-漂移運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的探測(cè)，因此又稱為水平收集器件（Lateral Collection Diode）。由于子像元結(jié)構(gòu)的光伏器件主要利用的是載流子的擴(kuò)散效應(yīng)，因此預(yù)期可以降低器件的暗電流，并且由于pn結(jié)的電學(xué)面積大大減少，結(jié)電容會(huì)明顯降低，還有利于提高器件的響應(yīng)速率和帶寬。根據(jù)子像元光伏器件的原理設(shè)計(jì)了3種子像元結(jié)構(gòu)的碲鎘汞光伏器件，并對(duì)其電流-電壓特性進(jìn)行了初步的分析。

實(shí)驗(yàn)中的n-on-p平面型碲鎘汞光伏器件按照常規(guī)工藝制備而成，p型碲鎘汞材料組分為0.49，為通過MBE方法生長(zhǎng)得到的Si基碲鎘汞外延薄膜材料，經(jīng)過清洗、腐蝕、離子注入形成n型區(qū)后表面生長(zhǎng)400nm，ZnS薄膜作為鈍化層，然后通過光刻工藝形成p/n電極。器件制備完成后利用探針臺(tái)對(duì)其電流-電壓（-）特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試溫度為室溫300K和低溫180K。圖2給出光伏器件的結(jié)構(gòu)圖，光敏元尺寸為1mm。圖3給出離子注入?yún)^(qū)所采用的4種結(jié)構(gòu)，A為常規(guī)結(jié)構(gòu)，即離子注入?yún)^(qū)域?yàn)檎麄€(gè)1mm的光敏區(qū)；B、C、D則為3種子像元結(jié)構(gòu)，不同尺寸的子注入?yún)^(qū)均勻分布在1mm的光敏區(qū)內(nèi)，其中結(jié)構(gòu)B的子像元尺寸為100mm，中心間距為200mm，結(jié)構(gòu)C和D的子像元尺寸為20mm，中心間距分別為40mm和80mm。為了消除材料均勻性對(duì)結(jié)果的影響，4種結(jié)構(gòu)的器件在同一片材料上通過一輪工藝同步制備完成。

圖1 子像元器件結(jié)構(gòu)原理

圖2 Si基短波碲鎘汞光伏器件的結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖4給出4種結(jié)構(gòu)的器件在300K和180K下的電流-電壓特性曲線的對(duì)比，可以看出4種結(jié)構(gòu)在室溫和低溫下表現(xiàn)出不同的暗電流特性。在室溫下，暗電流主要是擴(kuò)散電流和產(chǎn)生復(fù)合電流，常規(guī)結(jié)構(gòu)A的暗電流最大；而在低溫下，暗電流主要表現(xiàn)為隧穿電流，常規(guī)結(jié)構(gòu)A的暗電流反而最小。說明子像元結(jié)構(gòu)在室溫下起到了抑制器件暗電流的效果，但在低溫下其暗電流抑制效果失效。

光伏器件的暗電流機(jī)制是分析光伏器件性能的重要理論基礎(chǔ)，已有許多作者對(duì)此進(jìn)行了分析[3-4]。光伏器件的暗電流機(jī)制主要包括：n區(qū)和p區(qū)的擴(kuò)散電流dif，勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合（g-r）電流g-r，直接隧道電流btb，通過缺陷中心的間接隧道電流tat以及表面漏電。

圖3 四種不同的注入?yún)^(qū)結(jié)構(gòu)

圖4 不同溫度下不同注入?yún)^(qū)結(jié)構(gòu)器件的電流-電壓特性對(duì)比

圖5給出結(jié)構(gòu)A器件在室溫和低溫下的反向電流-電壓特性曲線。根據(jù)光伏器件的暗電流機(jī)制，通過擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流和表面歐姆漏電的擬合可以計(jì)算得到器件300K下的反向暗電流，如圖6所示，可以看出計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值基本相符，計(jì)算中假設(shè)n區(qū)電子濃度為1018cm－3，p區(qū)空穴濃度為1016cm－3，產(chǎn)生復(fù)合中心密度為6×1014cm－3，計(jì)算中考慮了表面歐姆漏電的影響，旁路電阻為5×105W。在較低反向偏壓下計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差較大是由于器件串聯(lián)電阻的影響，由于串聯(lián)電阻的存在，小反偏下器件的結(jié)電阻與串聯(lián)電阻之間產(chǎn)生分壓，因此器件的反偏暗電流隨著偏壓增加較慢。隨著反向偏壓增加，器件的結(jié)電阻迅速增加，串聯(lián)電阻的分壓效果逐漸降低，因此在較大反偏時(shí)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值符合較好。將此擬合計(jì)算中的溫度改為180K時(shí)，得到如圖7的反向暗電流，明顯可以看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差很大，更為明顯的是二者具有不同的內(nèi)在物理機(jī)制，計(jì)算電流表現(xiàn)出產(chǎn)生復(fù)合電流的特點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)值卻明顯具有隧穿電流的特征。

子像元結(jié)構(gòu)的光伏器件相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然pn結(jié)的電學(xué)面積降低，但其表面邊界長(zhǎng)度卻明顯增加，更為重要的是，耗盡區(qū)在靠近表面的區(qū)域會(huì)因?yàn)楸砻婀潭姾傻脑蜃冋?，此時(shí)隧穿過程更容易發(fā)生。假設(shè)受表面電荷影響的n型區(qū)深度為1mm，通過將表面隧穿電流和表面產(chǎn)生復(fù)合考慮在內(nèi)后，計(jì)算得到的反向暗電流如圖8中所示，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值就基本相符。這里需要指出與表面歐姆電流有關(guān)的旁路電阻低溫下需修正為5×106W。在上面計(jì)算表面隧穿電流和表面產(chǎn)生復(fù)合電流的過程中，p型層的空穴濃度比體內(nèi)高出半個(gè)量級(jí)，為6.5×1016cm－3，表面耗盡區(qū)內(nèi)的產(chǎn)生復(fù)合中心密度值要比體內(nèi)6×1014cm－3高出2個(gè)量級(jí)，達(dá)到6.3×1016cm－3，可見器件的表面電荷和表面態(tài)對(duì)于表面漏電流的影響非常明顯。在室溫下，器件中的暗電流主要來自于器件的本征熱激發(fā)[5]，以擴(kuò)散電流和產(chǎn)生復(fù)合電流為主，隨著溫度降低，器件的本征載流子濃度i急劇降低，擴(kuò)散電流隨溫度按照i2變化規(guī)律降低，空間電荷區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合電流隨溫度按照i的變化規(guī)律降低，由于體內(nèi)擴(kuò)散電流和產(chǎn)生復(fù)合電流的急劇降低，使得與表面有關(guān)的表面漏電在低溫下凸顯出來成為暗電流的主要機(jī)制，因此可以認(rèn)為正是由于與表面有關(guān)的隧穿電流和歐姆電流的存在使得子像元結(jié)構(gòu)在低溫下失去了抑制器件暗電流的效果。考慮到子像元結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是降低器件的結(jié)面積，如果要在低溫下仍然保持子像元結(jié)構(gòu)對(duì)暗電流的抑制效果，必須使與結(jié)面積相關(guān)的體暗電流在低溫下占主導(dǎo)作用。對(duì)于本文中的器件，在僅僅考慮表面隧穿電流的情況下，如果體內(nèi)空穴濃度為1016cm－3，如果要使體暗電流在低溫下占主導(dǎo)，器件的表面積累層空穴濃度不能超過5×1016cm－3。除此之外為了降低器件的表面歐姆電流，需要使器件具有盡量大的旁路電阻。

圖5 結(jié)構(gòu)A器件在室溫和低溫下的反向電流-電壓特性曲線

圖6 結(jié)構(gòu)A器件在300K下反向暗電流的實(shí)驗(yàn)和擬合結(jié)果

圖7 結(jié)構(gòu)A器件180K下反向I-V特性曲線的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，計(jì)算值包括了擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流和表面歐姆漏電

表1給出4種結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)?？梢钥闯?，結(jié)構(gòu)A作為常規(guī)結(jié)構(gòu)具有最大的注入?yún)^(qū)面積和最小的注入?yún)^(qū)邊界長(zhǎng)度，并且低溫下器件的暗電流特性與器件的像元總周長(zhǎng)密切相關(guān)，說明低溫下的暗電流主要來自于與像元邊界有關(guān)的表面漏電。根據(jù)文獻(xiàn)，對(duì)于變面積的單元光伏器件，其周長(zhǎng)面積比（/）與表面漏電密切相關(guān)[6-7]，通常具有最小周長(zhǎng)面積比的器件其表面漏電的影響最小，B、C和D三種子像元結(jié)構(gòu)由于具有較大的周長(zhǎng)面積比，因此其表面漏電具有較大的影響，但在子像元結(jié)構(gòu)中，暗電流是來自于具有相同周長(zhǎng)面積比的大量子像元器件的并聯(lián)，此時(shí)單個(gè)器件的周長(zhǎng)面積比不足以評(píng)價(jià)表面漏電的影響，如表1中所示，如果就子像元單元而論，結(jié)構(gòu)C和D具有相同的周長(zhǎng)面積比，但結(jié)構(gòu)C卻具有更大的暗電流。因此需要一個(gè)新的參數(shù)來評(píng)價(jià)子像元器件中表面漏電的影響。這里引入一個(gè)新的參量-周長(zhǎng)面積之積（可以稱之為漏電體積）來對(duì)不同子像元結(jié)構(gòu)對(duì)暗電流的抑制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，從表1中可以看出，相對(duì)單元器件，具有最小的漏電體積的子像元結(jié)構(gòu)具有最佳的暗電流抑制效果。

圖8 結(jié)構(gòu)A器件180K的反向偏壓I-V曲線的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比，計(jì)算過程中考慮了擴(kuò)散電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、表面歐姆漏電以及表面隧穿電流以及表面產(chǎn)生復(fù)合電流

表1 各個(gè)像元結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)

3 結(jié)論

本文研究了子像元結(jié)構(gòu)在降低碲鎘汞光伏器件暗電流方面的有效性。由于子像元結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于降低了器件的結(jié)面積，因此如果要使子像元結(jié)構(gòu)能夠有效降低器件的暗電流，必須使與結(jié)面積有關(guān)的暗電流在器件暗電流中占據(jù)主導(dǎo)地位，這就需要降低器件中與表面有關(guān)的漏電，包括表面隧穿電流和表面歐姆電流。此外為了評(píng)價(jià)對(duì)比不同子像元結(jié)構(gòu)對(duì)器件暗電流的抑制效果，提出了漏電體積這一概念，認(rèn)為相對(duì)無子像元結(jié)構(gòu)的器件，具有最小漏電體積的子像元結(jié)構(gòu)能夠表現(xiàn)出最佳的暗電流抑制效果。

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Study of the Dark Current Characteristics of Sub-pixel Structure HgCdTe Photovoltaic Detectors

QIAO Hui，LI Xiangyang

(,,,200083,)

Sub-pixel structures have been applied to reduce the dark current of HgCdTe photovoltaic detectors with a large photo sensitive area, and their effectiveness has been evaluated. It was found that the sub-pixel structures led to a smaller dark current than one large pixel structure at room temperature, but they result in a greater dark current at 180 K. The analysis showed that the larger dark current at 180 K for the sub-pixel structure was caused by a surface leakage current introduced through the periphery. The surface states and fixed charges present at the interface of the passivation layer and HgCdTe surface could introduce surface tunneling current and surface shunting current, and these periphery-related surface dark current could become dominant at low temperatures, which rendered the sub-pixel structure meaningless in reducing the dark current of the large area detectors. The requirements for using sub-pixel structures at low temperatures were also given, and the term “l(fā)eakage current bulk” has been put forward to assess different sub-pixel structures when used to decrease the dark current.

dark current，sub-pixel，photovoltaic detector，leakage current bulk，HgCdTe

TN215

A

1001-8891(2017)06-0489-06

2016-04-02；

2016-10-20.

喬輝（1979-），男，山東萊陽(yáng)人，博士，研究方向?yàn)楣怆姴牧吓c器件。

國(guó)家自然科學(xué)基金（11304335）。