小像元InSb紅外焦平面器件光電性能仿真

朱旭波，李 墨，何英杰，呂衍秋

(1. 中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009； 2. 紅外探測器技術(shù)航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009； 3. 河南省銻化物紅外探測器工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽 471009)

0 引 言

高性能制冷型紅外探測器是紅外武器裝備的核心器件，目前已廣泛應(yīng)用于航天、航空、船舶、兵器等軍用光電系統(tǒng)，是現(xiàn)代高技術(shù)信息戰(zhàn)爭獲取全維優(yōu)勢的基礎(chǔ)。目前，大規(guī)模紅外焦平面探測器在車載、單兵、小型無人機(jī)、精確制導(dǎo)武器等領(lǐng)域有大量迫切需求，同時隨著探測器成本降低，民用領(lǐng)域的應(yīng)用需求也十分旺盛[1]。為了提升武器裝備性能和降低成本，一種有效途徑是發(fā)展小像元探測器技術(shù)。由于紅外探測器成本與芯片面積成正比，則小像元探測器能夠顯著降低成本，并且小像元探測器能夠提升紅外圖像的空間分辨率，從而提高探測性能[2]。近年來，5～8 μm中心距的小像元焦平面探測器逐漸發(fā)展起來[3-4]。

InSb是一種直接禁帶半導(dǎo)體材料，其電子有效質(zhì)量小，載流子遷移率高，禁帶寬度小，77 K時僅為0.23 eV，低溫下對紅外光的吸收系數(shù)高，約為1014cm-1，量子效率不小于80%。InSb紅外焦平面列陣器件于20世紀(jì)90年代發(fā)展成熟，目前已成為最重要的中波紅外探測器之一，能夠很好地實現(xiàn)大陣列、小像元、數(shù)字化，從而滿足紅外探測器及其光學(xué)系統(tǒng)小型化、輕型化、低功耗和高可靠性的發(fā)展要求[5-6]。InSb焦平面陣列器件的成結(jié)技術(shù)包括熱擴(kuò)散技術(shù)、離子注入技術(shù)和外延技術(shù)等[7]。成熟的技術(shù)是把單晶為基體材料，采用Cd擴(kuò)散、Be或Mg離子注入形成p+-on-n二極管結(jié)構(gòu)[8-9]。隨著分子束外延技術(shù)的興起，也采用外延法制備InSb材料形成p-i-n二極管結(jié)構(gòu)[10]。之后進(jìn)行陣列制備，采用SiO2或SixNy鈍化，制備金屬電極，和硅讀出電路通過銦柱互連混成，再經(jīng)芯片背減薄和減反射膜淀積達(dá)到量子效率的優(yōu)化。

隨著像元尺寸的減小，InSb紅外焦平面探測器的設(shè)計和制備難度會增加。主要面臨的技術(shù)難題有小像元間串音抑制和小像元陣列混成互連。背入射情況下，擴(kuò)散、離子注入或分子束外延成結(jié)的耗盡區(qū)距離有源區(qū)較遠(yuǎn)，隨著像元間距的減小，串音會隨之增加[11]。串音抑制技術(shù)是小像元焦平面探測器必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于工藝驗證存在復(fù)雜性，需要使用理論模型來分析計算，并且這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計算已經(jīng)超出了解析模型的能力范圍，因此, 采用TCAD模擬軟件對InSb紅外探測器進(jìn)行了二維模擬分析。

本文擬開展小像元InSb紅外焦平面探測器的串音性能研究，采用Sentaurus TCAD仿真軟件建立InSb焦平面探測器的串音物理模型，分別對擴(kuò)散、離子注入和分子束外延成結(jié)的7.5 μm像元間距的器件串音進(jìn)行仿真分析，獲取耗盡區(qū)和有源區(qū)位置和厚度的相對關(guān)系和其他影響因素，為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 器件模型

在背照射的3個像素單元的InSb陣列器件模擬中，像元間距為7.5 μm，其中溝道寬度為1.5 μm，光敏面大小為5 μm。入射光只照射中間像元，即像元2，入射光截止波長為5.5 μm，光功率為0.000 1 W/cm2，溫度77 K。通過計算光電流，可分別得到像元2的電流響應(yīng)率R2和像元1對像元2的串音，被定義為R1/R2。分別建立擴(kuò)散成結(jié)的臺面結(jié)模型、離子注入成結(jié)的平面結(jié)模型和分子束外延結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。采用SiO2作為鈍化膜，考慮了InSb/SiO2界面態(tài)的表面復(fù)合率的影響[12]。最后采用金作為電極。

圖1 器件模擬結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of InSb device simulation

建立擴(kuò)散成結(jié)的臺面結(jié)模型如圖1(a)所示，n區(qū)由襯底和部分臺面組成，摻雜濃度為1×1015cm-3，p區(qū)位于臺面最頂層，高斯分布，峰值摻雜濃度為1×1019cm-3，結(jié)深濃度為1×1015cm-3，結(jié)深在0.6～1 μm之間變化，器件厚度在10～24 μm之間變化，臺面溝道深度在1～8 μm之間變化。

建立離子注入成結(jié)的平面結(jié)模型如圖1(b)所示，n區(qū)由大部分襯底組成，摻雜濃度為1×1015cm-3，p區(qū)平面成結(jié)，高斯分布，峰值摻雜濃度為1×1019cm-3，結(jié)深濃度為1×1015cm-3，結(jié)深在1～8 μm之間變化，器件厚度在10～24 μm之間變化。

建立分子束外延結(jié)構(gòu)模型如圖1(c)所示，在重?fù)诫sInSb的襯底上生長p-i-n結(jié)構(gòu)。即先在InSb襯底外延一層600 nm厚的n型(摻Te)的緩沖層，然后外延n型吸收層和400 nm頂層p型(摻Be)接觸層。襯底摻雜濃度為2.6×1018cm-3，吸收層厚度在1～2 μm之間，摻雜濃度在1×1015～6×1015cm-3之間，緩沖層和接觸層摻雜濃度分別控制在4×1017cm-3和1×1018cm-3。器件厚度在10～24 μm之間變化，臺面溝道深度1～8 μm之間變化。

半導(dǎo)體光電輸運(yùn)方程包括泊松方程, 電子、空穴連續(xù)性方程, 光產(chǎn)生率和復(fù)合率方程[13-14], 即

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(2)

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(5)

Gphoto=J(x,y,z0)·α(λ,z)×

(6)

(7)

(8)

式中：ψ為靜電勢；R為復(fù)合率；q為基本電荷；εs為半導(dǎo)體介電常數(shù)；t為時間;n,p分別為電子和空穴濃度；NA,ND為受主和施主濃度；Jn，Jp，μn，μp，Dn，Dp，En，Ep分別表示電子、空穴的電流密度、遷移率、擴(kuò)散系數(shù)和有效電場；G為電子、空穴產(chǎn)生率；J(x,y,z0)為入射光空間分布強(qiáng)度，z0為沿入射光傳播方向吸收開始位置；α(λ,z)為吸收系數(shù)；λ為入射光波長。在理論計算中，復(fù)合項不僅考慮了與隧穿相關(guān)的陷阱輔助隧穿和帶到帶直接隧穿產(chǎn)生復(fù)合，而且還考慮了與熱相關(guān)的SRH復(fù)合(RSRH)和Auger復(fù)合(RAuger)。

最后，基于Sentaurus TCAD平臺將以上方程用有限元方法離散化聯(lián)立迭代求解，開展器件數(shù)值模擬計算，建立器件性能的物理模型。

2 器件性能仿真

2.1 臺面結(jié)器件

對臺面結(jié)模型，仿真計算了臺面結(jié)器件的厚度、臺面溝道深度、結(jié)深對電流響應(yīng)率和串音的影響，如圖2所示。由圖2(a)可以看出，電流響應(yīng)率隨器件厚度的增加而減小，這是因為背入射時n區(qū)對光的吸收并不均勻，隨著光的前進(jìn)距離增加，吸收呈指數(shù)衰減，即光的吸收主要發(fā)生在剛開始的一段距離； 由于p區(qū)的厚度固定不變，器件厚度的增加導(dǎo)致主要吸收區(qū)離結(jié)區(qū)的距離增大，光生載流子在擴(kuò)散過程中被復(fù)合的概率就越大，則產(chǎn)生的光響應(yīng)就越小。同時，隨著溝道深度的增加，電流響應(yīng)率逐漸減小。這是因為溝道的存在減少了吸收區(qū)域體積，同時增加了表面面積以致表面復(fù)合變多，使載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)域的數(shù)量減少，導(dǎo)致光電流減小。由圖2(b)可以看出，串音隨器件厚度的增加而增加，這是因為器件厚度的增加會導(dǎo)致結(jié)區(qū)遠(yuǎn)離光生載流子的產(chǎn)生區(qū)域，橫向擴(kuò)散作用的占比增加，導(dǎo)致更多的光生載流子擴(kuò)散至臨近像元，被臨近像元的縱向電場抽取到其結(jié)區(qū)，增加了光串音。同時，隨著溝道深度的增加，串音逐漸減小，這是因為溝道隔斷了部分載流子擴(kuò)散到其他像元的路徑。

圖2 臺面結(jié)器件仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of mesa junction device

當(dāng)選擇器件厚度為10 μm，溝道深度為1 μm時，結(jié)深與光電流響應(yīng)率和串音的關(guān)系如圖2(c)～(d)所示?？梢钥闯?，隨著結(jié)深的增加，光電流響應(yīng)變大而串音減少。這是因為pn結(jié)區(qū)的下移，減少了光生載流子到達(dá)路程，降低了被復(fù)合的概率。同樣，pn結(jié)區(qū)更靠近光生載流子的產(chǎn)生區(qū)域，使中間像元的結(jié)區(qū)對載流子的拉動作用增強(qiáng)，從而減少了光串音。

所以，臺面結(jié)器件要增加光電流響應(yīng)和減少串音，有效的方法是減小器件厚度和增加結(jié)深，但是器件厚度受減薄工藝水平限制，結(jié)深受擴(kuò)散工藝水平限制，因此可采用深離子注入方式來增加結(jié)深。

2.2 平面結(jié)器件

對平面結(jié)模型，仿真計算了平面結(jié)器件的厚度、結(jié)深對電流響應(yīng)率和串音的影響，如圖3所示。

圖3 平面結(jié)器件仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of planar junction device

由圖3可以看出，隨著器件厚度的增加，電流響應(yīng)率減小而串音增加，而隨著結(jié)深的增加，電流響應(yīng)率增加而串音減小。原因與臺面結(jié)相同。所以，平面結(jié)器件要增加光電流響應(yīng)和減少串音，有效的方法也是減小器件厚度和增加結(jié)深。由于離子注入可以做比較深的結(jié)，因此器件厚度減薄到10 μm時，將結(jié)深做到8 μm，可以得到大于6.0 A/W的電流響應(yīng)率和小于10%的串音。與溝道深1 μm、減薄到10 μm的臺面結(jié)器件對比，電流響應(yīng)率幾乎翻倍，串音更是極大地減小。

2.3 外延結(jié)構(gòu)器件

對外延結(jié)構(gòu)模型，仿真計算了外延結(jié)構(gòu)器件的厚度、臺面溝道深度、吸收區(qū)厚度和摻雜濃度對電流響應(yīng)率和串音的影響，如圖4所示。

圖4(a)～(b)為吸收區(qū)摻雜濃度為2×1015cm-3、厚度1.6 μm時得到的器件厚度、臺面溝道深度變化對電流響應(yīng)率和串音的影響?？梢钥闯?，電流響應(yīng)率隨器件厚度的增加而減小，串音隨器件厚度的增加而增加，原因也與臺面結(jié)相同。但是電流響應(yīng)率隨著臺面溝道深度的增加，不同器件厚度的器件呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。當(dāng)器件厚度為10 μm時，電流響應(yīng)率隨臺面溝道深度的增加而增加，這是因為不同摻雜濃度的InSb材料對紅外光的吸收系數(shù)不同，更多的中波紅外光吸收發(fā)生在吸收區(qū)，溝道深度大于2 μm時，對光照起主要作用的吸收區(qū)域并沒有大的改變，同時溝道越深，減少了串音，從而光電流響應(yīng)率增加。但是溝道深度為1 μm時，電流響應(yīng)率也較高，這是因為溝道深度小于吸收層厚度，相當(dāng)于增加了吸收區(qū)體積，這樣就有更多的光電流產(chǎn)生。當(dāng)器件厚度為20 μm以上時，電流響應(yīng)率隨臺面溝道深度的增加而減小，這是因為器件厚度較大時，依然吸收了較大部分的中波紅外，使到達(dá)吸收區(qū)的紅外光線減少。產(chǎn)生的載流子要經(jīng)過較長的距離才能到達(dá)結(jié)區(qū)，同時增加了表面面積以致表面復(fù)合變多，使得載流子擴(kuò)散到結(jié)區(qū)的數(shù)量減少，導(dǎo)致光電流減小。但在溝道深度為2 μm時出現(xiàn)了例外情況，因為2 μm的深度處于緩沖層，電極在緩沖層上導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)少量偏離。串音隨器件厚度和臺面溝道深度的變化規(guī)律，基本與臺面結(jié)相同。綜合考慮，選擇臺面溝道深度為1 μm，器件厚度為10 μm，有利于提高光電流響應(yīng)率和減少串音。

圖4 外延結(jié)構(gòu)器件仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of epitaxial device

當(dāng)溝道深度為1 μm，芯片厚度為10 μm時，得到電流響應(yīng)率和串音隨吸收區(qū)厚度和摻雜濃度的變化規(guī)律，如圖4(c)～(d)所示?？梢钥闯?，隨著吸收區(qū)厚度的增加，電流響應(yīng)率和串音都在改善。因為芯片總厚度不變，吸收區(qū)厚度增加則會吸收更多的中波紅外光，產(chǎn)生的載流子更容易達(dá)到結(jié)區(qū)，那么電流響應(yīng)率增加，結(jié)區(qū)對載流子的拉動作用變強(qiáng)，串音也相對減少。同時，隨著吸收區(qū)摻雜濃度的增加，電流響應(yīng)率減小而串音也減小，這是因為摻雜濃度增加導(dǎo)致耗盡區(qū)寬度變窄，相對增加了載流子到達(dá)結(jié)區(qū)的距離，相對增加了溝道深度，使串音減小。這表明增加吸收層厚度能夠提高光電流響應(yīng)率和減小串音，摻雜濃度建議選擇2×1015cm-3。

3 結(jié)果與討論

無論是臺面結(jié)、平面結(jié)還是外延結(jié)構(gòu)，芯片厚度減小到10 μm時，都顯著增加了光電流響應(yīng)率和減小了串音。因此，提高器件的減薄工藝水平，有助于提升小像元尺寸的器件性能。但從光電流響應(yīng)率要求考慮，平面結(jié)具有較高的光電流響應(yīng)率(在3.0 ～6.0 A/W范圍)，外延結(jié)構(gòu)次之(在2.4 ～3.0 A/W范圍)，臺面結(jié)相對較小(在0.5 ～3.0 A/W范圍)。從串音要求考慮，臺面結(jié)和平面結(jié)具有相當(dāng)?shù)拇羲?在10%～70%范圍)，外延結(jié)構(gòu)能達(dá)到的最小串音偏大(在30%～60%范圍)，有源區(qū)和耗盡區(qū)盡量靠近，可以減小相鄰光敏元之間的串音，還可以通過改變結(jié)深和臺面溝道深度等措施，改善臺面結(jié)光電流響應(yīng)和串音，通過增加結(jié)深改善平面結(jié)光電流響應(yīng)和串音，通過增加吸收層厚度和選擇合適的摻雜濃度改善外延結(jié)構(gòu)的光電流響應(yīng)和串音。

4 結(jié) 束 語

本文對小像元InSb紅外焦平面陣列器件的光電流響應(yīng)和串音進(jìn)行了研究，采用背照射的3個像素單元的InSb陣列器件，其中主要研究了器件尺寸、結(jié)深、摻雜濃度等參數(shù)對電流響應(yīng)率和串音的影響。結(jié)果表明，要增加光電流響應(yīng)和減少串音，對臺面結(jié)器件和平面結(jié)器件來說，需要減小器件厚度和增加結(jié)深，但綜合考慮工藝，臺面結(jié)采用擴(kuò)散方式的結(jié)深難以做得太深，平面結(jié)可以采用深離子注入方式來增加結(jié)深。對外延結(jié)構(gòu)器件來說，可以采用分子束外延方法方便控制各層厚度和摻雜濃度，通過增加吸收層厚度和選擇合適的摻雜濃度來改善其光電流響應(yīng)和串音。本文的仿真結(jié)果，對小像元(特別是尺寸為5～8 μm)InSb紅外焦平面陣列器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和光電性能驗證提供理論指導(dǎo)。