延伸波长InGaAs红外探测器的实时γ辐照研究

2023年12月13日发(作者：幼儿三字经全文)

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延伸波长InGaAs红外探测器的实时γ辐照研究

李淘;乔辉;李永富;唐恒敬;李雪;龚海梅

【摘 要】通过实时测试方法,研究了延伸波长InGaAs红外探测器在55×104 rad的γ辐照下的电流-电压特性变化,发现器件的暗电流没有明显变化,零偏电阻稍有变化,但变化的幅度很小.在辐照前后对器件的性能进行了测试,发现在辐照后器件的信号稍有下降,噪声基本不变,说明在受到辐照后器件的探测性能略有下降.对器件在辐照前后的低频噪声进行了测试,发现整个低频区的噪声都没有明显的改变.这些结论表明γ辐照对延伸波长InGaAs器件的影响较小.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2010(040)005

【总页数】4页(P511-514)

【关键词】红外探测器;InGaAs;γ辐照

【作 者】李淘;乔辉;李永富;唐恒敬;李雪;龚海梅

【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海,200083;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海,200083;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,传感技术国家重点实验室,上海,200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海,200083

【正文语种】中 文

【中图分类】TN215

1 引 言

由 InGaAs材料制作的短波红外探测器具有量子效率高、灵敏度高、可在室温工作等优点,在仪器的小型化、降低红外系统成本等方面具有很强的竞争力[1],国外已经成功将 InGaAs探测器应用在空间遥感等多个领域[2-4]。在国内,InGaAs探测器主要应用于光纤通讯领域,对于其空间应用仍然处于研究阶段[5-6]。

目前,InGaAs探测器的一大发展趋势即是响应波长向长波或短波方向进行扩展。通过增加InGaAs材料中 In的组分含量使材料的禁带宽度相应减小,从而可使响应波长向长波方向扩展,即可得到延伸波长的 InGaAs探测器。而要将延伸波长InGaAs探测器应用到太空环境,必须要考虑到空间辐射中的电子、质子、中子或 γ射线对探测器造成的损伤,这是器件可靠性研究的一个重要方面。目前对于 InGaAs探测器辐照效应的研究进行得很少,而且主要是非实时辐照研究,即在辐照前后对器件进行性能对比测试[7]。而由于辐照停止后器件会在很短时间内发生弛豫性恢复,因此非实时研究不能真实反映出辐照下器件的变化。本文通过实时测试γ辐照下器件的电流 -电压特性,并结合辐照前后器件的性能对比测试,研究了空间的重要辐射源

γ射线对延伸波长 InGaAs探测器的影响。 2 器件与测试

器件所采用的外延材料由中科院上海微系统与信息技术研究所提供,结构如表1所示。其中缓冲层采用了 In1-x Alx As,窗口层采用了宽禁带的 In0.8 Al0.2 As。制备得到背照型与正照型两种线列器件,采用湿法腐蚀台面成型工艺,钝化层采用 SiNx薄膜。背照型器件采用 In柱倒装方式将光敏芯片和过渡电极板进行互连以便测试。

表1 外延材料参数Tab.1 the parameters of epitaxy layers

将封装有器件的杜瓦置于辐照室内,通过屏蔽引线与控制室内的电流 -电压(I-V)测试仪Keithley 6430型源 -测量单元相连接,如图1所示,测试环境与器件均处于室温下。辐照开始前对器件的I-V特性进行测试,然后开始固定剂量率(30 rad/s)的 γ辐照。随着辐照时间的延长,器件的辐照剂量也逐渐增大,辐照剂量通过剂量率与辐照时间的乘积得到。辐照过程中对 I-V特性进行实时测试并作记录。

图1 γ辐照过程示意图Fig.1 schematic diagram ofγirradiation

对器件的低频噪声测试采用安捷伦的动态信号分析仪 35670A进行。低频噪声测试系统如图2所示。通过电流前置放大器将器件的噪声信号放大输入到动态信号分析仪中,经过 FFT分析得到噪声的功率谱密度图。电流前置放大器采用的是低噪声前置电流放大器 DL1211,可以给输入端提供 ±5 V的偏压。所有测量均在避光和电屏蔽的条件下进行。

图2 低频噪声测试系统框图Fig.2 schematic diagram of the measurement

t-up for low frequency noi

3 实验结果及讨论

3.1 实时电流 -电压特性

电流 -电压特性测试是 InGaAs探测器性能表征的重要手段之一,通过 I-V测试可以获取器件在不同偏压下的暗电流特性、器件的动态零偏电阻,确定器件的优值因子

R0A,可以反映出探测器的性能优劣。 对背照 8#器件的实时电流 -电压特性测试的结果如图3所示。可见,在实时测试中,辐照剂量从0逐步增大到 55×104 rad,器件的 I-V曲线基本重合,暗电流并没有明显变大。图4是 8#器件的 R0值随着辐照剂量的增大而变化的曲线图。可见,随着辐照剂量的增大,R0逐渐变小,但变化的幅度不大,最多变小了 1.69%。

对正照 6#器件的实时电流 -电压特性测试的结果和 8#器件一致,辐照剂量增大,器件的 I-V曲线基本重合,暗电流没有明显变化。图5是 6#器件的 R0值随着辐照剂量的增大而变化的曲线图,随着辐照剂量的增大,R0稍变大,但变化的幅度不大,最多变大了 2.03%。

图3 背照 8#器件的实时 I-V特性Fig.3 Real-time I-V characteristics of back-illuminated device 8#

图4 背照 8#器件的R0变化曲线Fig.4 R0 of back-illuminated device 8#

图5 正照 6#器件的R0变化曲线Fig.5 R0 of front-illuminated device 6#

γ辐照对器件产生影响主要是因为其会在半导体材料中产生位移效应和电离效应[8],电离效应的重要结果就是使载流子的浓度增加,位移效应则是在半导体中产生位移损伤,产生点缺陷或缺陷团,引入处于禁带中央附近的深能级,会导致产生 -复合电流的增大,使暗电流变大。此外,辐照还可能会产生表面效应,增大表面复合速度和引入表面态,使得表面漏电流变大。黄杨程[7]在研究 γ辐照对 In0.53 Ga0.47 As探测器的影响时就发现随着辐照剂量的增大器件暗电流是逐步增大的。而我们的实验中 8#,6#器件的暗电流并没有明显变化,这一方面可能是因为辐照剂量相对不太大,效应未明显表现出来;另一方面更重要的是与器件的结构有关,延伸波长器件中吸收层 In0.8 Ga0.2 As与衬底的晶格失配较大,器件中的位错等缺陷密度较大,使得器件暗电流中的产生 -复合电流成分本就较大,在辐照剂量不太大时,辐照额外引入的暗电流不能明显表现出来,因此器件的暗电流没有明显的规律性变化,R0值的变化也非常小,甚至略有增大(6#器件)。 3.2 信号与噪声

在辐照前后对正照与背照器件的信号与噪声按照常规的黑体测试方法进行了测试,黑体温度900 K,孔径 5 mm,测试距离 16 cm,调制频率 800 Hz,带宽80 Hz,信号与噪声测试时电流前置放大器均采用10-8 A/V的放大倍数,测试结果如表2所示。可见,辐照前后信号稍有变小,这可能是由于辐照在器件中产生的缺陷能级可以复合掉光生载流子,从而造成器件的响应率降低。而辐照前后噪声基本无变化,所以辐照后器件的信噪比稍有下降,也即其探测率略有变小,但变化程度较小。这说明在受到

55×104 rad的 γ辐照后,器件的探测性能稍有下降。

表2 辐照前后的信号与噪声对比Tab.2 the signal and noi before irradiation

and after irradiation

3.3 低频噪声

在用图2所示的低频噪声测试系统对器件辐照前后的低频噪声进行测试,其结果如图6、图7所示。可见,器件在辐照前后的低频噪声基本无变化,说明不仅仅是常规噪声测试得到的噪声数值前后无变化,整个低频区的噪声都没有明显的改变,表明0～55×104 rad的γ辐照对器件的低频噪声无明显影响。

图6 背照 8#器件辐照前后的低频噪声Fig.6 low frequency noi of back-illuminated device 8#before and after irradiation

图7 正照 6#器件辐照前后的低频噪声Fig.7 low frequency noi of front-illuminated device 6#before and after irradiation

4 结 论

实时测试了延伸波长 InGaAs红外探测器在 γ辐照下的电流 -电压特性,结果发现:在辐照剂量55×104 rad下,正照与背照器件的暗电流均没有明显变化;随着辐照剂量的增大,器件的零偏电阻稍有变化,但变化的幅度很小。辐照前后对器件的性能进行了测试,发现在辐照后器件的信噪比稍有下降,说明在受到 55×104 rad的辐照后,器件的探测性能稍有下降。对器件在辐照前后的低频噪声进行了测试,发现整个低频区的噪声都没有明显的改变。这些结果均表明 55×104 rad的 γ辐照对延伸波长InGaAs器件没有明显的影响。

参考文献:

[1] T N Krabach,C Staller,S Dejewski,et detectors for miniature

infrared instruments[C].SPIE,1993,1874:214-223.

[2] Moy JP,Hugon X,Chabbal J,et al.3000InGaAs photodiode multiplexed

linear array for the spot 4 SWIR channel[C].SPIE,1989,1107:137-151.

[3] Hoogeveen Ruud W M,Var Der A Ronald J,Goede Albert P ed

wavelength InGaAs infrared(1.0～2.4μm)detector arrays on SCIAMACHY for

spacebad spectrometry of the Earth atmosphere[J].Infrared Physics＆Technology,2001,42:1-16.

[4] Kozlowski L J,Tennant W E,Zandian M,et staring FPA

performance at room temperature[C].SPIE,1996,2746:93-100.

[5] 唐恒敬,吕衍秋,张可锋,等.空间遥感用 InGaAs短波红外探测器[J].激光与光电子学进展,2007,44(5):42-49.

[6] 唐恒敬,吕衍秋,吴小利,等.正照射与背照射InGaAs探测器的性能对比研究[J].激光与红外,2007,37(增刊):938-940.

[7] 黄杨程,曹光明,刘大福,等.InGaAs红外探测器的 γ辐照研究[J].功能材料与器件学报,2005,11(1):68-70.

[8] 曹建中.半导体材料的辐射效应[M].北京:科学出版社,1993.

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