InGaAs短波红外探测器的光电机理

更新时间:2023-12-13 08:58:45 阅读: 评论:0

2023年12月13日发(作者:写事作文300)

-

InGaAs短波红外探测器的光电机理

InGaAs短波红外探测器的光电机理

邵海洋;邢怀中

【摘 要】利用ISE TCAD仿真软件,建立了铟镓砷(InGaAs)短波红外探测器表面漏电的二维模型.在背面照射方式下,模拟研究了InGaAs短波红外探测器的表面漏电对器件暗电流、总电流、量子效率和响应率的影响.研究结果表明,表面漏电会导致器件的暗电流和总电流增大,但响应率和量子效率会降低.由此可知,表面漏电是制约InGaAs短波红外探测器性能的重要影响因素,该研究结果为器件的设计与优化提供了理论依据.

【期刊名称】《东华大学学报(自然科学版)》

【年(卷),期】2019(045)001

【总页数】5页(P158-162)

【关键词】表面漏电;InGaAs短波红外探测器;暗电流;响应率;量子效率

【作 者】邵海洋;邢怀中

【作者单位】东华大学理学院,上海201620;东华大学理学院,上海201620

【正文语种】中 文

【中图分类】O474

1~3 μm短波红外波段的探测器在空间遥感、夜视、温度测量等领域具有重要的应用价值和前景[1]。目前,该波段范围的探测器除了使用传统的碲镉汞和锑化物红外材料以外,铟镓砷(InGaAs)材料由于具有高吸收系数、高迁移率和高探测率,被认为是制作短波红外探测器的优良材料[2]。InGaAs是由III-V族的材料磷化铟(InP)和砷化镓(GaAs)以任意配比形成的三元化合物,由于In0.53 Ga0.47As材料的禁带宽度(Eg)为0.75 eV,采用它制作的短波红外探测器截止波长约为1.7 μm,可以完全覆盖光纤通信常用的1.30和1.55 μm波长。此外,InGaAs和InP可以做到完全晶格匹配,可以在InP的衬底上生长出质量很高的外延层,研制出高性能的器件。

国内外针对InGaAs短波红外探测器性能的研究已有不少报道。国内研究主要分析了不同掺杂浓度[3]、不同吸收层厚度[4]以及缓冲层的改变[5]对InGaAs短波红外探测器的影响。国外的研究报道中,文献[6]研究了不同入射方向的InGaAs短波红外探测器的电学特性,文献[7]研究了场效应对InGaAs基太赫兹辐射探测器的影响,文献[8]研究了不同的表面处理与钝化对InGaAs/InP异质结晶体管稳定性的影响。

然而,受限于现有的理论仿真模型,表面漏电作为影响红外探测器性能的一个重要因素,目前对其研究报道甚少。表面漏电是由材料表面形成较高密度的缺陷、侧壁污染等引起的,会严重损坏器件的稳定性和可靠性。针对InGaAs短波红外探测器的表面漏电内在物理规律,及如何避免表面漏电对探测器性能的影响,本文计算了InGaAs短波红外探测器在表面漏电情况下的暗电流、光响应等物理特性,研究结果将对提高器件性能具有指导意义。

1 理论模型

本文利用ISE TCAD软件构建了InGaAs短波红外探测器的二维模型(如图1所示),并对器件特性进行仿真模拟[9-11]。InGaAs中Ga元素比例设为0.47,即In0.53Ga0.47As。由图1可知,由下往上依次为:200 nm厚的N型InP,记作N-InP,掺Si,掺杂浓度为4×1018 cm-3;30 nm厚的本征InP,掺Si,掺杂浓度为3×1015 cm-3;3.5 μm厚的本征In0.53 Ga0.47As吸收层(i层),掺Si,掺杂浓度为3×1015 cm-3;10 nm厚的本征InP,掺Si,掺杂浓度为3× 1015

cm-3; 190 nm厚的P型InP,记作P-InP,掺Zn,掺杂浓度为2×1018 cm-3。器件n层宽度设为100 μm,其他层宽度设为25 μm,N型电极,记作N-pad,宽度设为12.5 μm,P型电极,记作P-pad,宽度设为16μm。N-InP和30nm本征InP的交界处设为坐标轴的原点,y坐标轴方向向下。计算光电流时,采用背面照射[13],也就是从N层入射。

图1 InGaAs短波红外探测器模拟结构图Fig.1 Simulation structure of InGaAs

short wavelength infrared detector

模拟中使用漂移-扩散模型、高场饱和模型探究载流子的输运特性,同时利用复合模型计算产生-复合率,复合里面包含了Shockley-Read-Hall(SRH)复合、Band-to-Band Tunneling(BBT)复合、辐射复合和俄歇复合,利用Raytrace描述光子在多层异质结界面的光学传播特性,计算器件的光场分布。模拟参数如表1所示。

表1 InGaAs短波红外探测器的模拟参数

Table 1 Simulation parameters of InGaAs short wavelength infrared

detector

参数InGaAsInP晶格常数/10-10m5.868 75.868 7带隙/eV0.771.34电子迁移率/(cm2·V-1·s-1)12 0004 730空穴迁移率/(cm2·V-1·s-1)45020电子有效质量/kg4.45×10-327.30×10-32空穴有效质量/kg4.09×10-317.83×10-31导带有效态密度/cm-38.72×10165.66×1017价带有效态密度/cm-36.66×10182.03×1019电子俄歇系数/(cm6·s-1)8.1×10-293.7×10-31空穴俄歇系数/(cm6·s-1)8.1×10-298.7×10-30

InGaAs短波红外探测器件的表面存在很多缺陷,对器件性能有很大的影响。表面漏电可以通过改变器件表面薄层的载流子寿命来建立等效模型。表面载流子寿命(τs)和表面复合速度(S0)之间的关系如式(1)所示。 (1)

式中:deff为薄表面复合层的有效厚度[13]。

在仿真软件中设置p区、i区、n区载流子寿命τs为10-6 s,对应的表面复合速度S0为5 cm/s。在器件的p区和i区的两侧宽度为0.1 μm处考虑表面漏电,载流子寿命分别取10-8和10-10 s,对应的表面复合速度分别为5×102和5×104

cm/s,并与不考虑漏电的表面复合速度5 cm/s进行对比。

2 结果与分析

2.1 表面漏电对InGaAs短波红外探测器暗电流的影响

暗电流是InGaAs短波红外探测器的一个重要参数指标,其包含扩散电流、空间电荷区内的产生-复合电流,还有探测器表面的产生-复合电流。较大的暗电流会导致探测器灵敏度降低,从而影响探测性能。因此为了得到较高的探测率,应尽量减小器件的暗电流。

扩散电流是指PN结耗尽区两端载流子在场强作用下发生扩散和漂移的电流,少数载流子扩散和漂移是形成扩散电流的原因[14]。扩散电流与少数载流子的寿命成负相关关系,通过理论推导得到扩散电流(Idiff)计算式[15-16]如式(2)所示。

(2)

式中:A为PN结面积;ni为本征载流子浓度;μN和μP分别为非平衡电子与空穴的迁移率;τN和τP分别为非平衡电子与空穴的寿命;Na和Nd分别为P区与N区的掺杂浓度;Vd为器件所加偏压;q为电子电量;k为玻尔兹曼常数;T为温度。

空间电荷区内的产生-复合电流是指在空间电荷区载流子的激发与复合产生的电流,其大小与材料中SRH复合中心的能级与密度有关,产生-复合电流(Igr)的计算式[17]如式(3)所示。

(3)

式中:f(b)为一个积分因子;W0为零偏压下的空间电荷区宽度;τ0为耗尽区少数载流子的有效寿命;Vbi为内建电势。产生-复合电流与少数载流子寿命直接相关,因此在考虑表面漏电的情况下,暗电流将变大。

由式(1)和(2)可以看出,无论是扩散电流还是空间电荷区内的产生-复合电流均与载流子的寿命成负相关,即载流子寿命变小,扩散电流、产生-复合电流都随之增大。另外,少数载流子寿命变小,会导致探测器表面薄层的复合率变大,使表面的产生-复合电流增大。所以在表面漏电下,暗电流增大。

在表面漏电(S01和S02)和不漏电(S0)下,模拟得到InGaAs短波红外探测器的暗电流曲线如图2所示。由图2可知:在反向偏压下,表面漏电的暗电流比不漏电的暗电流大;同时表面漏电时,载流子寿命越小,暗电流越大。因此,为了降低暗电流,提高InGaAs短波红外探测器的探测性能,减小表面漏电是工艺上需要考虑的重要因素之一。

图2 在表面不漏电和漏电下InGaAs短波红外探测器的暗电流曲线Fig.2 Dark

current curves of InGaAs short wavelength infrared detector without and

with surface leakage

2.2 表面漏电对InGaAs短波红外探测器总电流的影响

入射光在吸收层内被吸收并产生大量的电子-空穴对,因此除了暗电流之外,器件的总电流(暗电流与光电流之和)也是探测器的一个重要参数指标。光波长与其对应的光子能量转换关系式[18]如式(4)所示。

(4) 式中:c为真空中光的传播速度;λ为光的波长;h为普朗克常数;υ为光的频率。设置InP和InGaAs的带隙分别为1.34和0.77 eV,由式(4)计算可得,InP和InGaAs的截止波长分别为 0.93 和1.61 μm。 在模拟计算器件的光电性能时,加入Raytrace模型。光功率密度设为0.000 1 W/cm2,InGaAs短波红外探测器采用背面照射,入射面积为625 μm2,计算总电流时的入射光波长取为1.5 μm,这样就很好地包含了InGaAs的吸收波长。

在考虑表面漏电(S01和S02)和不漏电(S0)下InGaAs短波红外探测器的总电流曲线如图3 所示。由图3可知,在反向偏压下,表面漏电的总电流比不漏电的总电流大。由于光从器件底部入射InGaAs短波红外探测器,导致电子从价带激发到导带,同时在价带中形成空穴。在耗尽区内,自由电子-空穴对被耗尽区电场分开,电子往N区移动,空穴往P区移动;在耗尽区外,自由电子与空穴则产生漂移运动,载流子的寿命变小,导致扩散电流和漂移运动产生的光电流变大,因此总电流变大。

图3 在表面不漏电和漏电下的InGaAs短波红外探测器总电流曲线Fig.3 Total

current curves of InGaAs short wavelength infrared detector without and

with surface leakage

2.3 表面漏电对InGaAs短波红外探测器响应率和量子效率的影响

响应率和量子效率也是衡量器件的重要参数指标。响应率(R)是从单位辐射功率形成光电流或光电压的角度来衡量器件获取目标辐射信号的效率,而量子效率(η)是直接衡量入射光子转化为光电流中电子的效率。计算响应率和量子效率时的入射光波长取值为0.5~1.9 μm。

器件的输出信号与入射到InGaAs短波红外探测器上的辐射功率之比定义为探测器的响应率,其计算式[18]如式(5)所示。

(5)

式中: Popt为入射光功率;I0为器件在光照下的零偏电流。在表面漏电和不漏电下模拟得到的InGaAs短波红外探测器的响应率曲线如图4所示。由图4可以看出:响应率在0.95~1.60 μm的波长之间形成了比较好的响应窗口;当入射光波长小于0.95 μm 或者大于1.6 μm时,响应率快速下降。因为N型InP窗口层对短波波长辐射的吸收,InP的截止波长为0.93 μm,而InGaAs吸收层的截止波长为1.61 μm。

由图4还可以看出,表面漏电的响应率低于表面不漏电的响应率。这是因为入射光从衬底背面入射,在基区被吸收,吸收产生的少数载流子扩散到结区,被结区电场分开,产生光生电动势[19]。载流子寿命短,少数载流子在扩散过程中被复合的概率越大,产生的光响应越小。

图4 在表面不漏电和漏电下的InGaAs短波红外探测器响应率曲线Fig.4

Responsivity curves of InGaAs short wavelength infrared detector without

and with surface leakage

量子效率η的计算式[19]如式(6)所示。

(6)

式中:λ为入射光波长;R为响应率;Ip为在波长为λ(对应为光子能量hυ)时,吸收入射光功率Popt所产生的光激发电流。

在表面漏电和不漏电下模拟得到的InGaAs短波红外探测器的量子效率曲线如图5所示。从图5中可以看出,表面漏电(S02=5×104 cm/s)的量子效率相比表面不漏电的量子效率降低了18%左右。相比于表面不漏电,表面漏电的少数载流子的寿命较小,载流子的复合率增大,这使得载流子没有到达PN结之前,大多数的载流子已被复合,于是到达有源区的载流子数量相对较少,因此,量子效率比较低。 图5 在表面不漏电和漏电下的InGaAs短波红外探测器量子效率曲线Fig.5

Quantum efficiency curves of InGaAs short wavelength infrared detector

without and with surface leakage

3 结 语

本文采用ISE TCAD仿真软件对InGaAs短波红外探测器PIN结构的暗电流、总电流、响应率和量子效率进行了理论模拟研究,通过改变器件表面薄层的载流子寿命来建立表面漏电的等效模型,结果显示表面漏电对于器件的暗电流、光电流、量子效率和光响应率都有较大影响。在考虑器件表面漏电情况下,器件暗电流和总电流变大,量子效率和光响应率变小,因此表面漏电影响器件的可靠性和稳定性。研究结果为红外探测器件的设计与优化提供了理论依据。

参 考 文 献

【相关文献】

[1] 吕衍秋. InGaAs红外焦平面[J]. 红外,2006,27(7):20-24.

[2] 贾嘉,陈贵宾,龚海梅,等. 室温短波碲镉汞结区的LBIC方法研究[J]. 红外与毫米波学报,2005,24(1):11-14.

[3] 郝国强,张永刚,刘天东,等. InGaAs PIN光电探测器的暗电流特性研究[J]. 半导体光电,2004,25

(5):341-344.

[4] WANG X D, HU W D, CHEN X S, et al. Simulation of electrical and optical characteristics

for InP/InGaAs/InP p-i-n photodiodes[C]// International Conference on Infrared. New York:

IEEE, 2010: 1-2.

[5] 张永刚,顾溢,朱诚,等. 短波红外InGaAs/InP光伏探测器系列的研制[J]. 红外与毫米波学报, 2006,

25(1): 6-9.

[6] SIOMA M, KANIEWSKI J. Numerical modelling of InGaAs infrared photovoltaic

detectors[J]. Optica Applicata, 2002, 32(3): 517-522.

[7] MINKEVICIUS L, TAMOSIUNAS V, KOJELIS M, et al. Influence of field effects on the

performance of InGaAs-bad terahertz radiation detectors[J]. Journal of Infrared Millimeter & Terahertz Waves, 2017, 38(6):689-707.

[8] PARK M S, RAZAEI M, BARNHART K, et al. Surface passivation and aging of InGaAs/InP

heterojunction phototransistors[J]. Journal of Applied Physics, 2017, 121(23):737.

[9] WILLIAMS G M, WAMES R E D. Numerical simulation of HgCdTe detector

characteristics[J]. Journal of Electronic Materials, 1995, 24(9): 1239-1248.

[10] KOSAI K. Status and application of HgCdTe device modeling[J]. Journal of Electronic

Materials, 1995, 24(5): 635-640.

[11] 何野,魏同立. 半导体器件的计算机模拟方法[M]. 北京:科学出版社,1989: 2-8.

[12] 李萍. InGaAs/InP光电探测器[J]. 红外,2004,25(10):10-14.

[13] QIU W, HU W, LIN C, et al. Surface leakage current in 12.5 μm long-wavelength

HgCdTe infrared photodiode arrays[J]. Optics Letters, 2016, 41(4): 828.

[14] HU W D, CHEN X S, YIN F, et al. Analysis of temperature dependence of dark current

mechanisms for long-wavelength HgCdTe photovoltaic infrared detectors[J]. Journal of

Applied Physics, 2009, 105(10): 159.

[15] GOPAL V, GUPTA S, BHAN R K, et al. Modeling of dark characteristics of mercury

cadmium telluride n + -p junctions[J]. Infrared Physics & Technology, 2003, 44(2): 143-152.

[16] NEMIROVSKY Y, ROSENFELD D, ADAR R, et al. Tunneling and dark currents in

HgCdTe photodiodes[J]. Journal of Vacuum Science & Technology AVacuum Surfaces &

Films, 1989, 7(2): 528-535.

[17] REINE M B, SOOD A K, TREDWELL T J. Mercury cadmium telluride photovoltaic

infrared detectors[M]. New York: Academic Press, 1981: 216-220.

[18] 施敏. 半导体器件物理与工艺[M]. 2版, 苏州:苏州大学出版社,2002: 303-307

[19] 胡伟达,殷菲,叶振华,等. 吸收层特性和异质结界面电荷对12.5 μm长波HgCdTe光伏探测器响应率的影响研究[J]. 物理学报,2009,58(11):7891-7896.

-

InGaAs短波红外探测器的光电机理

本文发布于:2023-12-13 08:58:45,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.wtabcd.cn/zhishi/a/1702429125120240.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

本文word下载地址:InGaAs短波红外探测器的光电机理.doc

本文 PDF 下载地址:InGaAs短波红外探测器的光电机理.pdf

上一篇:ingaas测试原理
下一篇:返回列表
标签:探测器   表面   短波   器件   载流子   电流   复合   产生
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
推荐文章
排行榜
Copyright ©2019-2022 Comsenz Inc.Powered by © 实用文体写作网旗下知识大全大全栏目是一个全百科类宝库! 优秀范文|法律文书|专利查询|