不同電極尺寸對光電二極管電流的影響

祁嬌嬌,趙 凱

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

HgCdTe是一種Ⅱ-Ⅵ族窄禁帶化合物半導(dǎo)體,在短波、中波、長波和甚長波等各個(gè)紅外波段均為主流的紅外探測器材料,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(diǎn)[1]。由HgCdTe材料制備的紅外探測器在整個(gè)紅外波段都具有很高的光子吸收率；而且工作溫度較高(77 K),具有很高的探測性能,在過去的50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(jìn)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(diǎn)[3-4]。目前對碲鎘汞紅外探測器的研究已經(jīng)取得很大成果,但像元金屬層尺寸對器件電學(xué)參數(shù)的影響卻鮮有報(bào)道。

由于HgCdTe材料自身的性質(zhì)及工藝的特殊性,影響探測器性能的參數(shù)較多,工藝過程波動大,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以真實(shí)反映其性能。目前可以通過軟件模擬的方式對HgCdTe材料和器件進(jìn)行仿真模擬,排除工藝過程中工藝波動帶來的影響,縮短工藝驗(yàn)證周期,極大地節(jié)約了金錢和時(shí)間成本[5-7]。本篇文章基于TCAD Sentaurus半導(dǎo)體仿真軟件,針對HgCdTe長波探測器的像元尺寸對器件電流的影響進(jìn)行仿真模擬,分析了光伏型紅外探測器的工作原理,建立相應(yīng)長波器件二維模型,分析了不同電極尺寸條件對器件電流的影響,并對影響機(jī)理進(jìn)行了分析,并得出一系列結(jié)果,為器件電極尺寸的設(shè)計(jì)工藝奠定了基礎(chǔ)。

2 數(shù)值模型

2.1 光伏器件簡介

Hg1-xCdxTe是三元化合物半導(dǎo)體材料,光伏器件由p-n結(jié)組成,如圖1所示[8]。

圖1 光伏器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of a photoelectric device

從圖中可以看出p區(qū)為器件的吸收層,p區(qū)與n區(qū)形成pn結(jié),光伏器件的主體結(jié)構(gòu)為pn結(jié)。輻射的紅外信號在器件中被吸收后,在p-n結(jié)中或者在p區(qū)、n區(qū)產(chǎn)生非平衡的電子空穴對,p區(qū)、n區(qū)產(chǎn)生非平衡的電子空穴對向p-n結(jié)擴(kuò)散,并在p-n結(jié)的空間電場中運(yùn)動,從而導(dǎo)致p-n結(jié)表面勢的變化,對外電路貢獻(xiàn)光電流。基于n-on-p的器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,二極管的總電流It由光生電流Ip加上暗電流Id(V)組成:

It=-Ip+Id(V)

(1)

理想情況下暗電流是:

其中,I0是二極管的飽和電流;e是元電荷電量;V是np電極之間的電壓值;kB是玻爾茲曼常數(shù);T是二極管的工作溫度。光電流密度可以表達(dá)為:

Jp=eηQ

(3)

其中,η是器件的量子效率;Q是被吸收的少子數(shù)目。

2.2 器件結(jié)構(gòu)模型

首先利用Structure Editor 界面進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和有限元網(wǎng)格的劃分,器件結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。在P型Hg1-xCdxTe襯底(P-body)上進(jìn)行離子注入形成PN結(jié)。P-body區(qū)、N+區(qū)的Cd組分值x一致,該P(yáng)N結(jié)為同質(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(jì),表面鈍化層的影響則以Hg1-xCdxTe表面態(tài)作為邊界條件簡化,結(jié)區(qū)載流子分布簡化為均勻分布,P和N字母代表P-body區(qū)和N+區(qū)電極,材料及器件結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如表1所示。

圖2 光電二極管剖面圖Fig.2 Profile structure of photoelectric diode表1 材料及器件結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of material and device

參數(shù)數(shù)值截止波長/μm9.5x0.22N區(qū)摻雜濃度/cm-31×1018P區(qū)摻雜濃度/cm-33×1016Z軸寬度/μm0.1 器件工作溫度/K77N區(qū)深度/μm1.5P區(qū)厚度/μm6邊界反射系數(shù)1

2.3 材料特性參數(shù)

設(shè)計(jì)好器件基本模型后,還要在材料庫中定義材料參數(shù),Hg1-xCdxTe作為ⅡⅥ族化合物半導(dǎo)體,它的各項(xiàng)材料參數(shù)如下:

1)能帶

Eg=-0.302+1.93×x-0.810×x2+

0.832×x3+5.354×10-4(1-2×x)

其中,x是Cd組分比例;T是晶格溫度。

2)電子親和能

χ=4.23-0.813×(Eg(T)-0.083)

(5)

3)介電常數(shù)

ε=20.5-15.5×x+5.7×x2

(6)

4)電子空穴有效質(zhì)量

5)電子空穴遷移率

μh=0.01×μe

(10)

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

本文基于上述材料及器件結(jié)構(gòu)參數(shù),在不同電極尺寸條件下,對器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。圖3是不同電極尺寸條件下的器件結(jié)構(gòu)。

圖3 不同電極尺寸條件下器件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structures ofdevice underdifferent electrode sizes condition

根據(jù)以上器件結(jié)構(gòu),不同電極尺寸條件下分別進(jìn)行對二極管電流進(jìn)行仿真。在電流-電壓曲線的仿真過程中,對器件的背面采用紅外光照模式[9],入射光波長為9.5 μm,入射光能量密度為0.01 W/cm2。不同電極尺寸條件下,器件電流-電壓的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出當(dāng)隨著電極寬度從27 μm減小到7 μm的過程中,二極管反向電流的絕對值從逐漸減小。

圖4 不同電極尺寸條件下二極管電流隨偏壓的變化曲線Fig.4 Diode current versus voltage under different electrode sizes condition

3.2 結(jié)果分析

從上述仿真結(jié)果可以看出不同金屬層尺寸對二極管反向電流具有較大的影響。從2.1節(jié)光伏器件的簡介可以知道,光伏二極管工作的原理是當(dāng)紅外信號照射在半導(dǎo)體材料的表面時(shí),以光子的形式進(jìn)入到半導(dǎo)體體內(nèi),并被半導(dǎo)體材料吸收,被吸收的光子數(shù)目越多在p-n結(jié)中或者在p區(qū)、n區(qū)產(chǎn)生的非平衡電子空穴對就越多。因此,被吸收的光子數(shù)目的多少是影響光電二極管電流的關(guān)鍵參數(shù)。另外,p區(qū)、n區(qū)產(chǎn)生的非平衡空穴電子對需要向pn結(jié)擴(kuò)散才可對外電路貢獻(xiàn)光電流。冶金結(jié)作為pn結(jié)內(nèi)P型摻雜與N型摻雜的分界面,其附近電勢的變化直接影響電子空穴對的擴(kuò)散密度,進(jìn)而影響擴(kuò)散電流的大小。

基于上述分析,本文從金屬層對冶金結(jié)電勢分布的影響和被吸收的光子數(shù)目Q兩個(gè)角度分析光電二極管電流隨電極尺寸變化的原因。

3.2.1 金屬層對冶金結(jié)電勢的影響

在本文的器件結(jié)構(gòu)中,金屬層與半導(dǎo)體表面接觸形成等勢體,金屬層可以分散器件表面的電勢分布,等勢體的電勢由半導(dǎo)體器件表面的電勢決定；金屬層尺寸的變化會使器件表面的寄生電容發(fā)生變化,使得電勢對器件的影響由器件表面轉(zhuǎn)移到絕緣層中,金屬層的變化導(dǎo)致器件冶金結(jié)附近的電勢發(fā)生變化,冶金結(jié)附近擴(kuò)散電流隨冶金結(jié)處電壓值成指數(shù)變化[10],因此,冶金結(jié)處電壓值的變化會引起二極管電流較大的變化。

圖5是不同電極尺寸條件下冶金結(jié)附近電勢分布變化圖。從圖中可以看出隨著電極尺寸的減小,冶金結(jié)附近的電勢減小,電極和體區(qū)的電勢差減小,擴(kuò)散電流隨冶金結(jié)處電壓值成指數(shù)減小,即結(jié)區(qū)吸收的少數(shù)載流子數(shù)目減小,光電二極管的對外電路貢獻(xiàn)的光電流減小。

圖5 不同電極尺寸條件下冶金結(jié)電勢分布Fig.5 Electric potential distributionunder different electrode sizes condition

3.2.1 金屬層對被吸收光子數(shù)目Q的影響

光伏二極管工作時(shí)產(chǎn)生的電流是由半導(dǎo)體材料吸收光子產(chǎn)生光生載流子,半導(dǎo)體吸收的光子數(shù)目直接決定了光生電流的大小。由公式(1)和式(3)可知,光電二極管電流的大小正比于被吸收的光子數(shù)目Q。

圖6是不同電極尺寸條件下,金屬層下方吸收層被吸收光子數(shù)目的分布圖。從圖中可以看出隨著電極尺寸的減小,被吸收的光子數(shù)目Q減小。因此隨著金屬層尺寸的減小,二極管的反向電流減小。

圖6 不同電極尺寸條件下被吸收光子數(shù)目分布圖Fig.6 Q valuesunder different electrode sizes condition

4 總 結(jié)

本文使用Sentaurus TCAD 軟件對碲鎘汞光電二極管進(jìn)行了二維建模,并對不同電極尺寸條件下的光電流進(jìn)行仿真；從仿真結(jié)果可以看出,隨著電極尺寸的減小,二極管的光電流減小。本文從金屬層對冶金結(jié)電勢分布的影響和被吸收的光子數(shù)目Q兩個(gè)角度進(jìn)行了分析。電極和半導(dǎo)體接觸形成等勢體,對器件內(nèi)電勢分布具有一定的調(diào)制作用,冶金結(jié)附近的電勢隨著電極尺寸的減小而減?。徊煌姌O尺寸條件下被吸收的光子密度不同,發(fā)現(xiàn)隨著電極尺寸的增大,被吸收的光子數(shù)目減小,導(dǎo)致光電流減小。因此隨著電極尺寸的減小,碲鎘汞光電二極管的光電流逐漸減小。仿真結(jié)果對工藝具有指導(dǎo)性的作用,為器件的電極工藝設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。