nBn型InSb紅外器件性能仿真

周 朋,劉 銘,邢偉榮

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

nBn結(jié)構(gòu)是一種單極勢(shì)壘層探測(cè)器結(jié)構(gòu),其電極層以及吸收層均為n型材料,寬禁帶的勢(shì)壘層薄層嵌于電極層和吸收層之間,其能帶示意圖如圖1所示。勢(shì)壘層B會(huì)阻擋電極層中的電子向吸收區(qū)擴(kuò)散,但不會(huì)阻擋吸收區(qū)的光生電子和空穴。在無光照時(shí),器件內(nèi)電流很小；當(dāng)施加光照時(shí),在吸收區(qū)由于光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)分別在外加電場(chǎng)的抽取作用下運(yùn)動(dòng),到達(dá)電極形成電信號(hào)。與傳統(tǒng)pn結(jié)結(jié)構(gòu)器件不同,nBn結(jié)構(gòu)沒有內(nèi)建空間電荷區(qū),其吸收層耗盡區(qū)寬度大大降低甚至完全消除,可以有效降低SRH暗電流、直接隧穿電流和陷阱輔助隧穿電流等結(jié)生暗電流,同時(shí),由于在nBn器件結(jié)構(gòu)中吸收區(qū)掩埋在寬禁帶的勢(shì)壘區(qū)下,起到了類似于鈍化的效果,器件表面漏電也大大降低。因此,相比于傳統(tǒng)器件,其可以在更高的工作溫度達(dá)到相同的探測(cè)性能。

圖1 nBn結(jié)構(gòu)器件的能帶示意圖

nBn結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于超晶格、MCT、InAs(InAsSb)等材料中。2014年,法國Montpellier大學(xué)和SOFRADIR公司第一次報(bào)道了nBn結(jié)構(gòu)的高溫工作InSb紅外探測(cè)器[1]。為了研究nBn型InSb結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響,本文使用SentaurusTCAD軟件進(jìn)行了模擬仿真。

2 勢(shì)壘層的改進(jìn)

勢(shì)壘層能帶控制是nBn結(jié)構(gòu)器件的關(guān)鍵。一方面,勢(shì)壘層與吸收層的導(dǎo)帶差值(Conduction Band Offset,CBO)要足夠大,從而抑制電子穿過產(chǎn)生暗電流,另一方面,勢(shì)壘層與吸收層價(jià)帶的差值(Valence Band Offset,VBO)要盡可能小,以免阻擋空穴流動(dòng)從而影響器件性能。

根據(jù)Adachi[2]提出的III-V族三元化合物禁帶寬度的計(jì)算方法可以計(jì)算出InSb nBn結(jié)構(gòu)的能帶情況,計(jì)算時(shí)均忽略摻雜引起的費(fèi)米能級(jí)位置改變而引起的不同層間的能帶偏差,取InAlSb勢(shì)壘層鋁組分為25%,取InSb和AlSb材料的價(jià)帶差為-0.41 V[3]。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中InAs[4]、InAs/GaSb SLs[5]及MCT[6]三種材料nBn結(jié)構(gòu)的能帶偏差對(duì)比列于表1。

表1 不同材料nBn結(jié)構(gòu)的能帶偏差對(duì)比

從表中可以看出,InAs材料及InAs/GaSb type-II SLs材料的價(jià)帶差非常小,基本上可以忽略。而InSb與MCT材料nBn結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)類似,價(jià)帶差較大。這是因?yàn)镮nAsSb和InAs/GaSb type-II SLs的nBn結(jié)構(gòu)采用其他材料來充當(dāng)勢(shì)壘層,價(jià)帶差和導(dǎo)帶差均可調(diào)節(jié)。而MCT材料采用不同組分的MCT材料充當(dāng)勢(shì)壘層,InSb的勢(shì)壘層則采用InSb與AlSb的固溶體InAlSb材料,隨著Cd組分或Al組分的增加,導(dǎo)帶勢(shì)壘和價(jià)帶勢(shì)壘呈比例增加,無法單獨(dú)調(diào)節(jié)價(jià)帶差或?qū)Р睢?/p>

若直接對(duì)未改進(jìn)的InSb nBn器件加偏壓,將得到如圖2所示的能帶圖。由于外加偏壓影響能帶的原理是通過載流子的耗盡或者累積,其并不能改變吸收層和勢(shì)壘層接觸界面的能帶突變,所以無論外加電壓如何,在吸收層和勢(shì)壘層的接觸面均存在勢(shì)壘,只是勢(shì)壘從方形變?yōu)榱巳切?。三角形?shì)壘依然對(duì)光生空穴有阻擋效果,降低了器件性能。因此,為了獲得更好的性能,需找出減小或消除價(jià)帶差的方法。

一種可行的方法是引入漸變型勢(shì)壘層,即靠近吸收層的一側(cè)Al組分不是突變而是線性緩變降低的,圖3為引入漸變型勢(shì)壘層后未加偏壓,加0.1 V反偏和0.2 V反偏時(shí)的價(jià)帶圖,從圖中可以看出,當(dāng)反偏電壓足夠大時(shí),價(jià)帶差可以完全消除。

圖2 未改進(jìn)的InSb nBn器件加不同偏壓時(shí)的能帶圖

圖3 采用漸變型勢(shì)壘層后不同反向偏壓時(shí)的能帶圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證漸變型勢(shì)壘層的必要性,我們使用Sentaurus軟件分別模擬了勢(shì)壘層改進(jìn)前后的光暗電流IV圖,如圖4所示。從圖中可知,在低反偏時(shí),加入漸變型勢(shì)壘后的光暗電流均比未加入時(shí)的大,且未加入漸變型勢(shì)壘層的器件在反偏電壓小于0.5 V時(shí)基本無光信號(hào),而當(dāng)反偏電壓大于0.5 V時(shí)暗電流急劇上升,無法正常工作,因此,為了改進(jìn)器件性能,在勢(shì)壘層靠近吸收層一側(cè)加入漸變層是十分必要的。

圖4 加入漸變型勢(shì)壘層前后的IV圖

3 器件性能模擬仿真

3.1 nBn結(jié)構(gòu)的I-V圖分析

為了研究改進(jìn)勢(shì)壘層后的InSb nBn結(jié)構(gòu)隨反偏電壓增大時(shí)的性能,我們模擬了暗電流IV圖。結(jié)果如圖5所示。

從圖中可以明顯看出I-V圖包含4個(gè)階段,第1階段,反偏電壓未能克服價(jià)帶差,無電流通過；第2階段,反偏電壓克服了價(jià)帶差,空穴擴(kuò)散電流可以自由通過,第1和第2階段的臨界點(diǎn)稱為開啟電壓；第3階段,反偏電壓繼續(xù)增大,耗盡區(qū)開始擴(kuò)大到吸收層,產(chǎn)生復(fù)合(G-R)電流開始出現(xiàn)；第4階段,反偏電壓大到克服了導(dǎo)帶差,電流呈指數(shù)增大。最佳工作電壓為第2階段。

圖5 InSb nBn結(jié)構(gòu)暗電流IV圖

圖6 MCT nBn結(jié)構(gòu)暗電流IV圖

圖6為MCT nBn結(jié)構(gòu)的IV模擬圖[7],其同樣包含4個(gè)階段,規(guī)律與InSb nBn結(jié)構(gòu)基本相同。根據(jù)之前表1中的MCT 和InSb nBn結(jié)構(gòu)能帶偏差的計(jì)算,兩種材料的能帶偏差大致相同,故其有同樣的IV曲線規(guī)律在意料之中。

3.2 勢(shì)壘層厚度和組分對(duì)IV曲線的影響

圖7為不同勢(shì)壘層厚度的光暗IV圖,隨著厚度增加,開啟電壓略微增加,開始產(chǎn)生GR電流的電壓大幅增加,工作電壓的范圍增大,且光電流在偏壓達(dá)到要求時(shí)幾乎不變。因此勢(shì)壘層厚度應(yīng)適當(dāng)增大。但考慮到應(yīng)力問題,勢(shì)壘層厚度也不宜過大。當(dāng)厚度取0.1 μm時(shí),開啟電壓約為-0.1 V,產(chǎn)生GR電流的電壓約為-0.6 V,該區(qū)間足以滿足工作偏壓要求。

圖8為不同勢(shì)壘層組分的光暗IV圖,當(dāng)勢(shì)壘層組分增大時(shí),開啟電壓迅速變大,而GR電流開始產(chǎn)生的電壓變化幅度不大,工作電壓的范圍變小,光電流在偏壓達(dá)到要求時(shí)幾乎不變。從圖上看來勢(shì)壘層組分越小越好。當(dāng)勢(shì)壘層組分太小(<15%)時(shí),價(jià)帶差雖然幾乎可以忽略,開啟電壓非常接近于0 V,但是此時(shí)導(dǎo)帶差也非常小,在有光照時(shí)勢(shì)壘層已被擊穿,模擬中顯示為結(jié)果不收斂。且模擬時(shí)未考慮隧穿電流,組分太小時(shí)勢(shì)壘高度降低,隧穿概率迅速增大,變得不可忽略,故勢(shì)壘層組分也不宜太小。綜上,本文取Al組分范圍為15%～20%。

圖7 不同勢(shì)壘層厚度的IV圖

圖8 不同勢(shì)壘層組分的IV圖

4 器件結(jié)果

將生長的nBn型器件經(jīng)過器件工藝流片,然后測(cè)試其IV特性,得到的77 K下IV曲線如圖9所示。圖10為法國Montpellier大學(xué)和SOFRADIR公司nBn型InSb器件[1]在不同溫度下的暗電流趨勢(shì)圖。對(duì)比可發(fā)現(xiàn),本文器件暗電流IV圖與法國的器件暗電流趨勢(shì)相同,說明nBn結(jié)構(gòu)可以正常工作,但是其暗電流偏大,還有較大的改進(jìn)空間,需要進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)和工藝,進(jìn)一步提高器件的工作溫度。

圖9 nBn器件IV曲線圖

圖10 法國nBn型InSb器件在不同溫度下的暗電流趨勢(shì)圖

5 結(jié) 論

本文從能帶結(jié)構(gòu)方面分析了InSb nBn結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘層,并使用Sentaurus TCAD軟件計(jì)算并模擬了改進(jìn)前后的器件IV性能,仿真結(jié)果表明,在勢(shì)壘層靠近吸收層一側(cè)加入漸變層可以有效改進(jìn)器件性能。之后本文仿真模擬了勢(shì)壘層和吸收層摻雜對(duì)能帶的影響,以及勢(shì)壘層Al組分、厚度對(duì)器件性能的影響。最后根據(jù)仿真結(jié)果選定勢(shì)壘層Al組分15%～20%,厚度0.1 μm進(jìn)行實(shí)際外延生長,并給出初步的器件流片結(jié)果。