高溫下In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測(cè)器特性分析

杜鵬飛,葉 偉

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

1 引 言

目前,基于InSb和HgCdTe的紅外檢測(cè)系統(tǒng)在非常低的溫度下工作時(shí),需要輔助在低溫杜瓦瓶[1]內(nèi)以緩解熱效應(yīng)。但隨著對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)的尺寸、重量等要求不斷地提高,為了減輕冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),可以通過(guò)處理高溫下器件的熱噪聲,抑制暗電流隨溫度的升高而增加,從而提高紅外成像儀的工作溫度。InGaAs材料作為1～3 μm短波紅((SWI))探測(cè)器的主要選擇材料,其探測(cè)器的低溫冷卻一直是熱敏紅外系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。在過(guò)去的幾十年里,隨著探測(cè)器技術(shù)的快速發(fā)展,研究人員開(kāi)發(fā)出了不需要低溫冷卻的紅外成像系統(tǒng)后,紅外成像儀在性能和制造成本方面取得了巨大的進(jìn)步。為了實(shí)現(xiàn)能夠在高溫條件下工作,特別是對(duì)處于短波紅外范圍內(nèi)窄帶隙紅外探測(cè)器而言,面臨的挑戰(zhàn)是如何處理通過(guò)Shockley-Read-Hall(SRH)、輻射和俄歇復(fù)合,所引起的少數(shù)載流子衰變而導(dǎo)致的高溫?zé)嵩肼曉黾覽2-3]。因此,為了降低器件的熱噪聲,抑制高溫下吸收層的俄歇復(fù)合,就需要增加少數(shù)載流子的壽命,這是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵方法之一。少數(shù)載流子的壽命[4]從根本上決定了紅外探測(cè)器關(guān)于高溫工作時(shí)的暗電流和外量子效率的高低。在器件方面,高溫工作的紅外成像儀要求更好的光子收集以提高光的信號(hào)。利用寬帶隙半導(dǎo)體作為載流子阻擋層,對(duì)于抑制產(chǎn)生復(fù)合電流和表面漏電流非常重要,可以為少數(shù)載流子形成零帶偏移,有利于收集光子產(chǎn)生少數(shù)載流子,從而獲得較高的效率[5]。因此,將載流子阻擋層所表現(xiàn)出的特點(diǎn)用于器件的倍增層,即采用寬帶隙半導(dǎo)體來(lái)作為倍增層材料來(lái)降低暗電流,以改善器件的高溫工作特性。倍增層InP和吸收層InGaAs組成的InP/InGaAs探測(cè)器,在波長(zhǎng)1310 nm或1550 nm的光通信系統(tǒng)中已經(jīng)表現(xiàn)出良好的工作性能[6-7]。然而,III-V材料中的三元化合物In0.83Al0.17As比InP更具有作為倍增層材料的優(yōu)勢(shì),主要原因是InAlAs材料的電子/空穴電離系數(shù)[8]、電子遷移率[9]比InP材料的大；與InP/InGaA探測(cè)器相比較,In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17Ass探測(cè)器的電離系數(shù)對(duì)溫度變化的敏感性大[10]。因此,In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測(cè)器在熱噪聲、增益帶寬、響應(yīng)時(shí)間和溫度變化等方面獲得了更好的工作性能。故In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測(cè)器比InP/InGaAs探測(cè)器更有利于在高溫條件下工作,目前還沒(méi)有關(guān)于對(duì)In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測(cè)器在高溫工作下的報(bào)道。

本文采用仿真模擬法對(duì)平面型In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測(cè)器進(jìn)行仿真分析,探究了不同溫度對(duì)器件暗電流和光響應(yīng)度的影響規(guī)律,分析器件外量子效率大于1的原因,并利用仿真結(jié)果計(jì)算出器件在高溫工作下的比探測(cè)率,為新型紅外探測(cè)器在高溫工作下的進(jìn)一步發(fā)展提供指導(dǎo)。

2 器件結(jié)構(gòu)與仿真模型

圖1是器件結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)示意圖。在探測(cè)器材料體系中,III-V材料(InGaAs)的金屬有機(jī)氣相外延技術(shù)依賴于結(jié)構(gòu)完整性的半導(dǎo)體襯底,可以生產(chǎn)出高性能器件。因此,該探測(cè)器以重?fù)诫sN型GaAs為器件襯底,在其上生長(zhǎng)N型In0.83Al0.17As緩沖層,接著是摻雜P型In0.83Ga0.17As吸收層,為了減少吸收層和倍增層在異質(zhì)結(jié)界面上積累的少數(shù)載流子,引入四元化合物InGaAsP漸變層,最后是N型摻雜的倍增層和P型摻雜的帽層,如圖1(a)所示。

(a)器件結(jié)構(gòu)示意圖

傳統(tǒng)PIN結(jié)構(gòu)由于過(guò)大的耗盡層寬度將導(dǎo)致光生載流子漂移時(shí)間延長(zhǎng),使器件的響應(yīng)速度減弱。相比于PIN結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)將吸收層和倍增層分離設(shè)計(jì)后,光子的吸收和碰撞電離過(guò)程相互獨(dú)立,就可以分別對(duì)器件進(jìn)行光電性能的優(yōu)化,提升響應(yīng)速度。此外,這種結(jié)構(gòu)可以有效抑制窄帶隙吸收層隧穿的發(fā)生。圖1(b)是器件相對(duì)應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,其中Ec、Ev和Ef是能帶結(jié)構(gòu)參數(shù),分別表示導(dǎo)帶、價(jià)帶和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。

采用半導(dǎo)體仿真軟件TCAD中的Atlas進(jìn)行仿真,Atlas是基于物理的二維或三維器件模擬器,模擬的基礎(chǔ)是泊松方程和連續(xù)性方程,可以模擬出半導(dǎo)體器件在高溫條件下的電學(xué)和光學(xué)特性。其中,器件在高溫下工作需要充分考慮溫度依賴于遷移率(1)、載流子漂移-擴(kuò)散(2)、SRH(3)[11]和俄歇復(fù)合(4)模型,同時(shí),遵循光學(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。為了后續(xù)計(jì)算方便,在進(jìn)行器件的暗電流I(A)特性仿真后,將其I(A)轉(zhuǎn)換為暗電流密度J(A/cm2),即J-V曲線圖。以下是(1)、(2)、(3)和(4)主要物理模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

(1)

其中,TL是晶格溫度；un,p為電子和空穴的遷移率；mun、mup、tmun和tmup分別為遷移率參數(shù)。

(2)

(3)

其中,Etrap為陷阱能級(jí)與本征費(fèi)米能級(jí)之差；τn,p是電子和空穴的壽命；nie是本征載流子濃度。

(4)

其中,Cn和Cp俄歇復(fù)合系數(shù)。

仿真中用到的部分材料參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)果與討論

圖2是紅外探測(cè)器在不同溫度下的暗電流密度與施加偏置電壓特性曲線圖。圖2表明,在施加偏壓-0.8～+0.4 V范圍之間,溫度從160 K增加到300 K時(shí),隨著溫度的升高,器件的暗電流密度在逐漸增大。在-500 mV的偏壓下,160 K時(shí)的暗電流密度為6.05×10-7A/cm2,300 K時(shí)的暗電流密度為0.485 A/cm2。通過(guò)理論公式(5)計(jì)算,在高溫160～300 K范圍內(nèi),器件在160 K時(shí)的活化能為467 meV。結(jié)果表明,在溫度160 K時(shí),這與器件從光響應(yīng)光譜吸收邊估算出的有源區(qū)帶隙(480 meV)相接近,這說(shuō)明在溫度160 K以上時(shí),器件的暗電流主要是由擴(kuò)散原因所引起的。

圖2 器件在不同溫度下的暗電流密度與施加偏置電壓特性

(5)

其中,JDiff是暗電流密度；Ea是活化能；T是溫度；K是玻爾茲曼常數(shù)。

圖3是器件在不同溫度下的微分電阻面積RdA與施加偏置電壓特性曲線圖。利用理論公式(6)計(jì)算出器件的微分電阻面積RdA的值,如圖3(a)所示。為了清晰表達(dá)出不同溫度下的微分電阻面積RdA值,繪制出零偏置電壓下的微分電阻面積R0A的值,如圖3(b)所示,其中,圖3(b)中的嵌入圖為各溫度(160～300 K)對(duì)應(yīng)的飽和暗電流密度J0。在圖3(a)中可以看到,在溫度升高的同時(shí),器件的微分電阻面積RdA的值在減小,表明高溫工作下器件的性能在逐漸變差。在-500 mV偏置電壓下,計(jì)算出器件在160 K時(shí)的微分電阻面積RdA是2.26×104Ω·cm2,在300 K時(shí)的微分電阻面積是0.053 Ω·cm2。結(jié)果表明,溫度的變化可以顯著影響到器件的工作性能。

圖3 器件在不同溫度下的微分電阻面積(RdA)與施加偏置電壓特性

(6)

其中,J為暗電流密度；q是單位電荷量。

圖4是器件在不同溫度下的光譜響應(yīng)曲線圖。在光電流模擬過(guò)程中,采用光強(qiáng)為0.1 W/cm2的1.55 μm波長(zhǎng)的正射單色紅外輻射,且施加負(fù)偏壓為500 mV進(jìn)行光學(xué)仿真,其光譜響應(yīng)曲線模擬結(jié)果如圖4(a)所示。在波長(zhǎng)1.5 μm處,取不同溫度的1000/T為橫坐標(biāo),繪制出器件在不同溫度下的光譜響應(yīng)變化趨勢(shì)圖,如圖4(b)所示。在溫度320 K時(shí),器件的光響應(yīng)度峰值為1.746 A/W,300 K時(shí)的光響應(yīng)度峰值為1.818 A/W,當(dāng)溫度繼續(xù)降低到280 K時(shí),光響應(yīng)度峰值增加到1.895 A/W,而在溫度降低到260 K時(shí),器件的光響應(yīng)度峰值減小到1.588 A/W,160 K時(shí)的光響應(yīng)度峰值為0.008 A/W。結(jié)果表明,在器件高溫160～320 K的工作范圍內(nèi),其光響應(yīng)度隨著溫度的降低呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。在Au-n+GaAs肖特基二極管[12]、ZnS或ZnSTe紫外光電二極管[13]中,可以看到器件的光響應(yīng)度和不同溫度之間的變化關(guān)系,與圖4(a)曲線的變化相似。導(dǎo)致這種情況的根本原因是,器件在高溫條件下會(huì)引起少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度增加或態(tài)密度分布的變化。然而關(guān)于InGaAs器件光響應(yīng)度的負(fù)溫度系數(shù)報(bào)道卻較少,這種負(fù)溫度系數(shù)相關(guān)性與器件倍增層的倍增因子[14]M有關(guān)。倍增本質(zhì)上是載流子碰撞電離過(guò)程,此過(guò)程與載流子的能量密切相關(guān)。當(dāng)施加固定的反向偏壓時(shí),隨著溫度的升高,載流子濃度隨溫度的變化較小,倍增層的載流子受到聲子散射的增加,從而降低碰撞電離系數(shù)和倍增電流。因此,光譜響應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。另外,利用理論公式(7)計(jì)算了器件在300 K,280 K,240 K和160 K時(shí)的外量子效率,分別是150 %,156 %,74 %和3.8 %。結(jié)果表明,隨著溫度的降低,器件的外量子效率也相應(yīng)的先增大后減小。值得注意的是,在高溫300 K時(shí),器件的外量子效率大于1,如此高的外量子效率是由于倍增層InAlAs中載流子的倍增效應(yīng)引起,當(dāng)器件倍增層內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠高時(shí),漂移進(jìn)入其中的載流子與材料的晶格原子發(fā)生撞擊而產(chǎn)生電子-空穴對(duì),新生的載流子繼續(xù)碰撞產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。因此,一個(gè)光子就會(huì)產(chǎn)生多個(gè)載流子而達(dá)到倍增效應(yīng),就會(huì)出現(xiàn)外量子效率大于1的情況。

圖4 器件在不同溫度下的光譜響應(yīng)曲線

(7)

其中,η是外量子效率；Nc是載流子數(shù)量；NI是光子數(shù)量；h是普朗克常量；c是光速；e是單位電荷量；λ是入射光的波長(zhǎng)；R是光響應(yīng)度。

圖5是器件在不同溫度下的比探測(cè)率曲線圖。在進(jìn)行電學(xué)和光學(xué)表征后,利用理論公式(8)計(jì)算出器件在不同溫度下的比探測(cè)率。在器件施加負(fù)偏壓500 mV和波長(zhǎng)1.5 μm處對(duì)應(yīng)的峰值響應(yīng)度下,計(jì)算出器件在溫度160 K時(shí)的比探測(cè)率為1.28×1010cmHz1/2W-1,在300 K時(shí)的比探測(cè)率為3.26×109cmHz1/2W-1,從圖5中可以看到,隨著溫度的升高,器件的比探測(cè)率降低,表明工作性能在逐漸變差,這是因?yàn)橛蓴U(kuò)散、生成復(fù)合、碰撞電離和帶間隧穿引起探測(cè)器產(chǎn)生的電流的過(guò)程,依賴于溫度的變化,當(dāng)溫度升高時(shí),載流子的俘獲系數(shù)就會(huì)變大,導(dǎo)致載流子壽命減小,因此,產(chǎn)生的電流就會(huì)逐漸增大,導(dǎo)致器件的比探測(cè)率下降。

圖5 器件在不同溫度下的比探測(cè)率

(8)

其中,D*是比探測(cè)率；R0A是零偏置微分電阻面積；R為光響應(yīng)度。

通過(guò)查閱最近相關(guān)報(bào)道文獻(xiàn)[15-17]可知,器件在高溫(160～300 K)工作條件下的比探測(cè)率集中分布在109～1011cm·Hz1/2·W-1之間。圖6為不同結(jié)構(gòu)的器件在300 K時(shí)的比探測(cè)率對(duì)比圖,其中,器件3為本文計(jì)算出的比探測(cè)率值,器件1、2、4和5為報(bào)道的比探測(cè)率值。結(jié)果表明,器件3的比探測(cè)率值處于報(bào)道器件比探測(cè)率值的范圍之間,且明顯高于器件1和2,說(shuō)明該In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測(cè)器可在高溫下進(jìn)行工作,具有良好的工作性能。

圖6 與最近報(bào)道器件的比探測(cè)率比較圖

4 結(jié) 論

本文利用半導(dǎo)體仿真工具Silvaco-TCAD軟件對(duì)In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測(cè)器進(jìn)行仿真,模擬計(jì)算了該器件在高溫工作條件下的電流特性和光響應(yīng)度的變化規(guī)律。詳細(xì)討論了器件在不同溫度160～300 K范圍內(nèi),隨著溫度的升高,器件的暗電流依次增大,光響應(yīng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì),進(jìn)一步計(jì)算了在高溫工作條件下表征器件性能參數(shù)的大小。結(jié)果表明,器件的微分電阻面積RdA和比探測(cè)率D*隨著溫度的升高均呈下降趨勢(shì)。此研究結(jié)果對(duì)未來(lái)制備具有高性能的短波紅外探測(cè)器在高溫工作條件下具有指導(dǎo)意義。