InAlAs濃度對In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測器特性的影響

葉 偉，杜鵬飛，蕭 生，李夢飛

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723001）

引言

在紅外技術(shù)的快速發(fā)展時(shí)代，具有更小的尺寸、重量已經(jīng)成為短波紅外光電探測器的重要要求，室溫下的紅外線探測在化學(xué)傳感、氣體檢測、醫(yī)療診斷、自由空間通信等各個(gè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。紅外探測器可將人類肉眼觀測不到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換為可測量的能量，主要應(yīng)用于加強(qiáng)目標(biāo)和對象的精準(zhǔn)識(shí)別。對于短波紅外(SWIR)探測，很容易受到激光的輻射干擾，使成像系統(tǒng)降低或失去成像能力，其實(shí)質(zhì)是光電材料的功能衰退[4]。因此，探測器的材料體系由二元化合物向三元化合物進(jìn)行轉(zhuǎn)變，而HgxCd1-xTe 和InxGa1-xAs 為三元化合物中主要的材料體系[5]。三元化合物InxGa1-xAs 受到研究人員的廣泛關(guān)注，并被應(yīng)用于紅外成像和無人駕駛等光電領(lǐng)域[6-7]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)三元化合物In0.83Ga0.17As 在室溫下具有足夠低的暗電流，使得In0.83Ga0.17As 成為SWIR 中最實(shí)用的探測材料之一，其對應(yīng)的禁帶寬度為0.48 eV,吸收波長的范圍在1.0 μm～1.7 μm 之間。倍增層材料為InP 和吸收層材料為InGaAs 組成的InP/InGaAs 探測器，長期用于波長為1 310 nm 或1 550 nm 的光通信系統(tǒng)中，表現(xiàn)出良好的性能[8-10]。然而，化合物InxAl1-xAs 材料比InP 材料更具有作為倍增層材料的優(yōu)勢。主要原因是化合物InxAl1-xAs材料可以通過調(diào)節(jié)其中In 的組分來調(diào)節(jié)InAlAs的帶隙，當(dāng)In 的組分為0.83 時(shí)，In0.83Al0.17As 材料的禁帶寬度為0.79 eV，具有比InP 更窄的帶隙，同時(shí)也可以獲得更窄的光譜響應(yīng)范圍，且有利于抑制表面漏電；In0.83Al0.17As 材料的電子/空穴電離系數(shù)、電子遷移率比InP 材料的大；與In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As 探測器相比較，InP/InGaAs 探測器的電離系數(shù)對溫度變化的敏感性小[11]。此外，當(dāng)器件帽層為InP 更容易引起晶格失配導(dǎo)致的缺陷在能帶隙內(nèi)引入額外的能級，增加載流子的復(fù)合率，從而使器件的暗電流增加[12]。四元化合物InGaAsP材料可以有效減小InGaAs 和InAlAs 異質(zhì)結(jié)勢壘。倍增層的各類參數(shù)對于提高器件性能有明顯的影響。陳俊等研究人員通過對倍增層摻雜濃度進(jìn)行優(yōu)化，有效減小了器件的暗電流，獲得了高增益，同時(shí)降低擊穿電壓和貫通電壓[13-14]。特別是在確定倍增層的摻雜濃度后，當(dāng)倍增層厚度[15]小于0.8 μm 時(shí)，擊穿電壓會(huì)隨著倍增層厚度的增加呈先減小后增大的變化，貫穿電壓則會(huì)單調(diào)增大。這些研究對改善器件的性能有很大的幫助。目前報(bào)道的InxGa1-xAs 短波紅外探測器，在室溫下的工作性能仍受到器件結(jié)構(gòu)和材料的制約。因此，新型材料組分的確定和器件內(nèi)部各層參數(shù)的合理選擇是提高光電探測器件性能的有效途徑，而倍增層摻雜濃度的變化對器件性能的影響較大，還沒有關(guān)于倍增層摻雜濃度對In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測器性能影響的相關(guān)報(bào)道。

本文采用仿真模擬法對平面型In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As 探測器進(jìn)行仿真分析，探究了器件不同倍增層摻雜濃度下電場分布，暗電流以及響應(yīng)度的性能差異，借此確定器件較為理想的倍增層摻雜濃度數(shù)值，并計(jì)算了在該值下表征器件性能的相關(guān)參數(shù)，以降低探測器的暗電流和提升響應(yīng)速度為目的，改善器件的性能，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供一種思路。

1 器件結(jié)構(gòu)與仿真模型

臺(tái)面型探測器表面泄漏電流占總暗電流的主導(dǎo)地位，且InxGa1-xAs 的表面不穩(wěn)定會(huì)造成高表面泄漏電流，這會(huì)引起暗電流增大，同時(shí)，為了能夠滿足SWIR 波長最低暗電流設(shè)計(jì)要求，通常采用平面型探測器結(jié)構(gòu)[16-17]。器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，以重?fù)诫sN 型GaAs 為器件襯底，在其上生長N 型In0.83Al0.17As 緩沖層，接著是弱摻雜P 型In0.83Ga0.17As吸收層，然后是減少載流子在異質(zhì)結(jié)界面上積累的InGaAsP 漸變層，最后是N 型摻雜的倍增層和P 型摻雜的帽層。表1 為紅外探測器結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值。

表1 紅外探測器結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值Table 1 Values of structural parameters of infrared detector

在選擇仿真中用到的物理模型時(shí)，考慮到器件的電學(xué)和光學(xué)性能，選擇相關(guān)的俄歇復(fù)合模型、Shockley-Read-Hall(SRH)復(fù)合模型，同時(shí)，遵循載流子濃度依賴遷移率模型、能帶變窄模型、光學(xué)復(fù)合模型和碰撞離化模型，統(tǒng)計(jì)分布采用費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，計(jì)算方法為Newton 迭代法[18-23]。仿真中用到的部分材料參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型中的材料參數(shù)Table 2 Material parameters of simulation model

2 結(jié)果與討論

為了研究倍增層摻雜濃度對器件性能的影響，本文使用8×1015cm?3、1×1016cm?3、2×1016cm?3、4×1016cm?3、6×1016cm?3和8×1016cm?36 種倍增層摻雜濃度來分析器件性能與摻雜濃度之間的聯(lián)系。

圖2 是器件的能帶結(jié)構(gòu)圖。通過在器件的能帶圖中建立一維直角坐標(biāo)系，在帽層與倍增層的PN 結(jié)處設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，其各層到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離如圖2 標(biāo)注所示。倍增層、帽層的厚度分別為Lc和Lm，漸變層、吸收層、緩沖層到原點(diǎn)O的距離分別為Lm+Lg、Lm+Lg+La、Lm+Lg+La+Lb。器件模擬中的入射光假設(shè)在耗盡區(qū)全部被吸收，載流子漂移到達(dá)Lm，倍增效應(yīng)只發(fā)生在Lm范圍內(nèi)。

如何有效控制器件倍增層內(nèi)部的電場，對器件的性能非常重要。Akiba M 等研究人員認(rèn)為吸收層和緩沖層對器件內(nèi)部電場的調(diào)節(jié)作用非常小，而倍增層內(nèi)部的參數(shù)起主要作用[24]。圖3 是不同倍增層摻雜濃度下的電場分布。從圖3 中可以看出，器件的倍增層摻雜濃度從8×1016cm?3減小到8×1015cm?3時(shí)，對應(yīng)的倍增層電場強(qiáng)度峰值從1.96×105V/cm 減小到6.48×104V/cm。隨著倍增層摻雜濃度的減小，倍增層電場強(qiáng)度也相應(yīng)的減小，且由陡峭向平緩趨勢轉(zhuǎn)變。倍增層摻雜濃度為8×1016cm?3時(shí)，對應(yīng)的電場強(qiáng)度峰值為1.96×105V/cm，倍增層的電場分布呈現(xiàn)陡峭狀態(tài)，分布不均勻，就會(huì)引起耗盡區(qū)寬度變小，達(dá)不到減小器件暗電流的目的。倍增層摻雜濃度在8×1015cm?3時(shí)的電場峰值為6.48×104V/cm，倍增層的電場分布相對比較平緩。而倍增層摻雜濃度在2×1016cm?3時(shí)，倍增層的電場分布趨勢發(fā)生比較明顯的傾斜變化，此時(shí)對應(yīng)的電場強(qiáng)度峰值為1.03×105V/cm。因此，器件倍增層的摻雜濃度不易超過2×1016cm?3，以此來確保器件倍增區(qū)電場的相對穩(wěn)定。倍增層摻雜濃度的改變，只會(huì)明顯地引起Lm范圍內(nèi)的電場變化，而Lc、Lg、La等層內(nèi)的電場分布基本不會(huì)發(fā)生改變。因此，器件內(nèi)部的電場分布可以利用倍增層摻雜濃度的變化進(jìn)行有效地調(diào)控。

圖4 是不同倍增層摻雜濃度下的暗電流密度與偏壓分布曲線圖。注意到室溫下倍增層摻雜濃度的變化對器件性能的影響，在沒有考慮界面復(fù)合速率可能隨著異質(zhì)結(jié)界面摻雜濃度增加而增加的情況下，分析可變倍增層摻雜濃度對器件產(chǎn)生暗電流的影響情況。從圖4 中可以看出倍增層摻雜濃度與暗電流密度曲線的變化趨勢，當(dāng)倍增層摻雜濃度在2×1016cm?3時(shí)，曲線下降趨勢發(fā)生明顯變化。倍增層摻雜濃度從8×1015cm?3增加到1×1016cm?3時(shí)，在負(fù)偏壓0.2 V 時(shí)，對應(yīng)暗電流密度從0.27 A/cm2降低到0.26 A/cm2,減小程度為3.7%。摻雜濃度從1×1016cm?3增加到2×1016cm?3時(shí)，對應(yīng)暗電流密度從0.26 A/cm2降低到0.07 A/cm2，減小程度為73%。但當(dāng)倍增層摻雜濃度從2×1016cm?3增加到4×1016cm?3時(shí)，對應(yīng)的暗電流密度從0.07 A/cm2減小到0.02 A/cm2，減小程度為71%，隨著倍增層摻雜濃度的逐漸增大，暗電流密度以不同的程度減小。在倍增層摻雜濃度依次增大到2×1016cm?3時(shí)，暗電流密度顯著減小，這是因?yàn)楸对鰧覫nAlAs摻雜濃度較高時(shí)，InAlAs 層中的耗盡區(qū)向InGaAs層延伸，InAlAs 層中的耗盡區(qū)寬度變窄，抑制了復(fù)合電流的生成，降低了器件暗電流的大小。

在光電流模擬中，設(shè)定了反向負(fù)偏置電壓為1.5 V，InGaAs 材料的復(fù)折射率，其數(shù)值如圖5所示。采用光強(qiáng)為1 W/cm2的1.55 μm 波長的正射單色紅外輻射，在室溫下模擬不同倍增層摻雜濃度下的光響應(yīng)度。

圖6 是不同倍增層摻雜濃度下的光響應(yīng)度曲線圖。波長為1.5 μm 處器件的光響應(yīng)度，如圖6中嵌入圖所示。研究表明，在倍增層摻雜濃度從8×1015cm?3增加到8×1016cm?3時(shí)，在波長1.5 μm 對應(yīng)的光響應(yīng)度峰值從0.955 A/W 減小到0.952 A/W，盡管只是略微減小了0.003 A/W，但表明隨著倍增層摻雜濃度的增加，器件的光響應(yīng)度在減小，只是倍增層摻雜濃度的改變對器件的光響應(yīng)度影響比較小。在波長1.0 μm～1.6 μm 范圍內(nèi)光響應(yīng)度呈現(xiàn)出平緩趨勢且較高，在兩側(cè)急劇減小，這是器件在發(fā)生表面漏電的情況時(shí)，少數(shù)載流子壽命通常比較低，但載流子的復(fù)合率將會(huì)進(jìn)一步增大，讓多數(shù)載流子在沒有達(dá)到PN 結(jié)之前就已經(jīng)被完全復(fù)合，故到達(dá)源區(qū)的載流子數(shù)量會(huì)有所降低。因此，光響應(yīng)度將會(huì)減小，故可以通過表面不漏電來提高器件的光響應(yīng)度。

圖7 是不同倍增層摻雜濃度下的瞬態(tài)響應(yīng)。隨著倍增層摻雜濃度的增加，器件在光脈沖作用下產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)電流會(huì)減小。結(jié)果表明，尤其是當(dāng)倍增層摻雜濃度從4×1016cm?3增大到6×1016cm?3時(shí)，器件的響應(yīng)時(shí)間變長，響應(yīng)特性逐漸變差。減小倍增層的摻雜濃度有利于提高器件的響應(yīng)特性和光譜響應(yīng)，但會(huì)產(chǎn)生較大的暗電流，倍增層摻雜濃度過大引起雜質(zhì)缺陷增加，復(fù)合電流也會(huì)增大，從而增加器件的暗電流。倍增層摻雜濃度在

8×1015cm?3、1×1016cm?3、2×1016cm?3和4×1016cm?3

對應(yīng)下的瞬態(tài)響應(yīng)如圖7 中嵌入圖所示，從嵌入圖中可以觀察到倍增層摻雜濃度在8×1015cm?3、1×1016cm?3、2×1016cm?3和4×1016cm?3的響應(yīng)時(shí)間變化比較小。再根據(jù)前文的分析，當(dāng)倍增層摻雜濃度為2×1016cm?3時(shí)，在圖3 中，器件倍增層內(nèi)的電場明顯向平緩趨勢轉(zhuǎn)變，在圖4 中，暗電流密度顯著減小，在圖7 中，器件的響應(yīng)時(shí)間變長，響應(yīng)特性急劇變差。因此，通過不同倍增層摻雜濃度對器件倍增層內(nèi)的電場分布、暗電流密度和瞬態(tài)響應(yīng)的影響進(jìn)行綜合分析，初步選擇器件倍增層的摻雜濃度為2×1016cm?3。

為了驗(yàn)證器件倍增層摻雜濃度處于2×1016cm?3時(shí)器件的性能，計(jì)算了室溫下倍增層不同摻雜濃度下的比探測率。圖8 是在不同倍增層摻雜濃度下的暗電流密度(J)和微分電阻面積(RdA)與偏置電壓的關(guān)系，圖8 中只繪制出倍增層摻雜濃度處于2×1016cm?3時(shí)的暗電流密度。其中，暗電流在僅考慮擴(kuò)散(DIFF)和SRH 在反向偏置下產(chǎn)生的電流，曲線表示DIFF 和SRH 生成的暗電流密度之和。隨著反向偏置電壓的增大，DIFF 和SRH 生成的暗電流密度之和也逐漸增大且趨于平緩，由于偏置電壓增大時(shí)的表面泄漏對總電流密度的影響越來越重要，因此暗電流密度曲線在負(fù)偏壓30 mV時(shí)有明顯的斜率(K)變化。

品質(zhì)因子(R0A)是表征光電器件的一個(gè)性能指標(biāo)[25]，其值為零偏壓下(RdA)的大小，RdA計(jì)算如（1）式所示：

式中：K是玻爾茲曼常數(shù)；T是溫度；q是單位電荷量；J0是飽和暗電流密度。在室溫下利用(1)式，RdA計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在反向負(fù)偏壓1.5 V時(shí)，各倍增層摻雜濃度下對應(yīng)的R0A值如圖8 中的嵌入圖所示。

最重要的光敏度被廣泛地參數(shù)化為比探測率可更進(jìn)一步表征光電器件的性能[26]。因此，計(jì)算了室溫下器件的比探測率，比探測率D?與零偏置電阻面積R0A和光響應(yīng)度R的計(jì)算如（2）式所示：

室溫下器件的比探測率D?由(2)式計(jì)算，其結(jié)果如圖9所示，其中光響應(yīng)度R是波長在1.5 μm對應(yīng)下的峰值?？梢钥吹?，當(dāng)倍增層摻雜濃度處于2×1016cm?3時(shí)，器件的比探測率獲得最大值1.947 5×109cmHz1/2W?1；倍增層濃度為6×1016cm?3時(shí)，比探測率又增大，這是由于器件光響應(yīng)度和暗電流密度的變化速率不一致所引起的。但器件在倍增層摻雜濃度處于2×1016cm?3時(shí)的性能達(dá)到最優(yōu)。此結(jié)果與前文初步確定器件倍增層摻雜濃度為2×1016cm?3時(shí)的性能最優(yōu)相吻合。

將該探測器在室溫下的最優(yōu)比探測率值與最近報(bào)道的相關(guān)探測器比探測率值[27-30]進(jìn)行比較，如圖10所示。在圖10 中，器件1 是本文計(jì)算出的比探測率值，器件2、3、4 和5 是相關(guān)報(bào)道器件在室溫下的比探測率值。結(jié)果表明，器件1 的比探測率值處于報(bào)道器件比探測率值的范圍之間，說明仿真中選用物理模型合理，也證明了結(jié)論的有效性。

3 結(jié)論

本文利用半導(dǎo)體仿真工具Silvaco 軟件對In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測器進(jìn)行仿真，模擬計(jì)算了該器件在不同倍增層摻雜濃度下的電場強(qiáng)度、電流特性和光響應(yīng)度的變化規(guī)律。詳細(xì)討論了隨著器件倍增層摻雜濃度的增加，倍增層內(nèi)的電場強(qiáng)度峰值增加，會(huì)引起倍增層電場分布不均勻，而器件的暗電流與光響應(yīng)度呈減小趨勢，但對器件的光響應(yīng)度影響比較小。進(jìn)一步研究確定室溫下倍增層的摻雜濃度處于2×1016cm?3時(shí)，器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并通過比較不同倍增層摻雜濃度下器件的比探測率驗(yàn)證了此結(jié)論。研究結(jié)果對未來制備具有高性能的短波紅外探測器具有指導(dǎo)意義。