p-i-n InPInGaAs光电探测器的电流及电容特性研究

2023年12月13日发(作者：日本姓名)

-

第42卷，第1期文章编号:1672-8785(2021)01-0001-05红外1p-i-n

In&InGaAs光电探测器的

电流及电容特性研究夏少杰陈俊"(苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)摘要：为了实现高灵敏度探测，红外探测器需要得到优化&利用Silvaco器

件仿真工具研究了

p-i-n型InP/Ino.

53Ga0.47As/In0.

53Ga°.

47As光电探测器的结构,

并模拟了该结构中吸收层浓度和台阶宽度对暗电流以及结电容的影响&结果表

明，随着吸收层掺杂浓度的逐渐增大，器件的暗电流逐渐减小，结电容逐渐增

大。当台阶宽度变窄时，器件的暗电流随之减小，结电容也随之变小。最后研

究了光强和频率对器件结电容的影响&在低光强下，器件的结电容基本不变；

当光强增大到1

W/m2时，器件的结电容迅速增大&器件的结电容随频率的升

高而减小，其

&关键词：近红外光电探测器；InP/InGaAs；暗电流；结电容中图分类号：TN362

文献标志码：A

DOI：

10.3969/.1672-8785.2021.01.001Rearch

on

Current

and

Capacitance

Characteristics

of

p-i-n

In&InGaAs

PhotodetectorXIA

Shao-jie，CHEN

Jun**

(.School

of

Electronic

and

Information

Engineering，Soocho2

University，Suzhou

215006，China)Abstract:

In order to

achieve

high

nsitivity

detection，infrared

detectors

need

to

be

optimized.

Bad

on

the

Silvaco

device

simulation

tool,

the

photoelectric

characteristics

of

p-i-n

InP/IriQ,53GaQ,47As/In0.53GaQ,47As photode­tector

is

analyzed.

The

effects

of

absorption

concentration

and mesa

width

on

dark

current

and

junction

capaci­tance

in

the

structure

are

simulated.

The

results

show

that

as

the

doping

concentration

of

the

absorption

layer

gradua

increas.

When

the

mesa

width

becomes

narrower，the

dark

current of

the

device

decreas，and

the junction

capacitance

becomes

smaller.

Finally，the

effect

of

light

intensity

and

frequency on

the

device

junction

capaci­tance

is

studied.

At

low

light

intensity，the

device

junction

capacitance

is

basically

unchanged.

When

the

light

intensityincreasto1

W/cm2!thedevicejunctioncapacitanceincreasrapidly2Thedevicejunctioncapaci-

tance

increas

with

frequency

decreasing.

The

peak

is

caud

by

defect

levels.收稿日期：2020-08-28基金项目：国家自然科学基金项目(61774108)作者简介：夏少杰(1995-)，男，江苏苏州人，硕士生，主要从事红外光电器件研究。*通讯作者:E-mail：

****************http：///hwInfrared

(monthly)/Vol.42，No.l，Jan

20212红外Key

words:

near-infrared

photodetector；

InP/InGaAs；

dark

current；

junction

capacitance2021年1月0引言随着红外探测技术的不断发展，红外探测

器作为该技术中最核心的部分也发展极为迅猛&

红外探测器可将人类肉眼不可见的红外辐射能

转换为可测量的能量！其研究最重要的是材料

和器件结构的选择。用于制备红外探测器的材

料多种多样，例如HgCdTe(

InGaAs(

Si等&

近年来，InGaAs材料备受关注，已被广X应用

于红外成像、太空监测、无人

等光电领域&通过改变InGaAs材料中的In组分，能

1〜3^m波段的红外

行探测。该材料具有工艺水平成熟、无需

制冷、探测器

等

&用InGaAs/InP材料制备的p-

-n型光电二极管在通信领域应用广泛，对13

l^m和1.

55

^m两个特定波段的红外光有很高的

应，

是

的红外

件)01&

i用InGaAs材料制备的红外探测器

有很多缺，暗电

不下、

等都是制约其发展的不

&用

研究了一种p-i-n型

InP/In0.53Ga.47As/In0.53Ga.47As

探测器在不

同吸收层浓度和台阶宽度参数下的暗电流和

结电容，并探究

和

探测器结电容的影响。以降低暗电流和提升响应速度为，改善了器件性能，为&1器件结构与仿真模型本文设计了一种p--b型InP/In

0.53G30.47

—

As/In.53Ga.47As探测器(其结构见图1)。该探

测器采用

结构，其中底层是BP衬底，第二层是厚度为50

nm的2

(5X10/

cm3))nP缓冲层，第三层是厚度为200

nm的

n+

(5

X

10/cm3)

InGaAs层，第四层是厚度为

300

nm

的

rT

(5

X

10/cm3)

InGaAs

本征吸收

层，顶层是厚度为200

nm的p+

(1X

107cm3)Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.l,

Jan

2021InP层。顶部和两侧电极分别是P型和r型接

触，顶部台阶宽度为40

^m,底部宽度为

100

冲口2*

&图1红外探测器的结构示意图本文首先在Silvaco-TCAD软件中构建了

InP/InGaAs探测器结构&表1列出

中设置的部分材料参数&用到的物理模型有

依

赖迁移

、平行电场依赖

、光学复合

模型、俄歇复合模型、Schockley-Read-Hall

复合

、能带变窄模型和碰撞离化模型&顶

部入射的波长为1550

nm，计算方法为Newton

迭代法)3*

&表1仿真模型中的材料参数参数Ir.53Ga_0.47AsInP带隙/eV0.

751.35E态密度/cm-32.

1X10】75.

1X1011Ev态密度/cm-37.

7X10】71.

1X1019电子SRH寿命/s7X10-66X10-12空穴SRH寿命/s7X10-66X10-12介电常13.

912.52结果与讨论本文的目的是降低探测器的暗电流和提升

响应速度，即改变吸收层的浓度和台阶宽度,

然后加入光照和改变频率，并对比探测器的暗

电流和结电容的变化

，从

化结构&http:

//.

ac.

cn/hw第42卷，第1期红外32.1改变吸收层的浓度图2(a)给出了暗电流随吸收层掺杂浓度

的变化趋势(掺杂浓度分别为5X10#cm3、1X

101ycm5X101ycm3)o可以看出，暗电流随着

掺杂浓度的上升而减小。在一0.6V偏压下,

三者的暗电流分别为4.

5X10-8A/cn?、4X

10-8A/cm3、2

X

10一8

A/cm3，暗电流下降了

2.25倍。因此在选择1层掺杂浓度时，适当提

高吸收层的掺杂浓度，有助于降低暗电流。通过器件的电场图可对暗电流不同的原因

进行解释。式(1)为反偏时总的电流密度公式。

其中，J代表反向饱和电流密度，Jg代表产生

电流密度。因为反向饱和电流密度由温度决

定，所以总电流密度由产生电流决定。式(2)

为产生电流密度公式。其中，幺代表电子电荷,

G代表电子空穴对的产生率，A代表空间耗尽

层的宽度。可以看出，产生电流与耗尽层宽度

成正比。Jr=Jg+J(1%(2「2$］凡

)(%—V)1/2(3%—!

eNaNd

_式(3)为空间耗尽层宽度公式。其中，！

和！分别代表两种材料的介电常数，N。和Nd

分别代表P区的空穴浓度和n区的电子浓度,

Vd代表

电势差，V代表外加偏压。空间耗尽层的宽度与接触电势差成正比。图2(b)为

掺杂

化时的电场

。

可

看出耗尽

没有被完全耗尽，而且随着掺杂浓度的

，

的电场减

。

电势差下降，导致耗尽 窄。由于耗尽层的宽正比于产生电

，

所

产生电

，

电。3给出了器件的结电容值随吸收层浓度

的变化趋势。当

从5X

10/cm3上到5

X

10/cm3时，器件的电容值呈上升趋

势。结电容公式为/hw(gvv)AualmuVbltage/V5

—■—5xl015/cm3

—lxl016/cm3(W4a

-5xl016/cm3、AOIX)3

、P@J

22言m0.0

0.1 0.2

0.3 0.4

0.5 0.6

0.7

0.8Distance

in

verical

direction/pim图2不同的吸收层掺杂浓度下的暗电流(>)和电场

分布(b)式中，比代表半导体材料的介电常数，J代表

有效接触面积,A代表耗尽层的

&由上面的结论可知，耗尽层的宽度随

掺杂浓度的

窄，器件结电容反比于耗尽层的;

的掺杂

越高，结电容越大。从微

来看，当

的掺杂时，窄的耗尽

有利于自由

子对结电容贡献更大&器件的响应速度取决于

RC延迟时间&结电容越小，响应速度越快。

在选择吸收层的掺杂浓度时，需要综合考虑暗

电流和结电容所带来的

，在尽可能减

：电流的同时提升响应速度&2.2改变台阶宽度如图4所示，通过改变结构中的台阶宽度

来观察暗电流的变化情况。台阶包括P层BP

和口―层InGaAs，台阶宽度分别为40屮、Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.l,

Jan

20214红外2021年1月Vbltage/V图3不同吸收层浓度下的电容（频率为10

GHz）1E-10-1E_1-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2 0.0 0.2

0.4

0.6Vbltage/V图4不同台阶宽度下的暗电流50

pm、60

pm、70

^m

和

80

^mo

从图中能够

看到，随着

的增大，器件的暗电流上&

中加入

些缺陷态。暗电流包括复合电流和表面漏电流。器件表面缺陷态的存在

使表面漏电流增大。台阶越宽,带来的缺陷越

多，导致暗电流上升。5给出了器件电容值随台阶宽度的变化

趋势。当

从80

^m下降到40

^m时,器件的结电容呈下降趋势。在一0.4

V偏压

下，从2.5

nF下降到1.

5

nFo由式（4）可知,

结电容与有效接触面积成正比。接触面积变大

时，更多的自由

子在外加偏压条件

：过结区，导致结电

大。2

3光强及频率对器件电容变化的影响图6给出了在无光照以及不同光强条件下

器件电容值的变化趋势。其中，

大小分别为

0.

01

W^cm2、0.

1

W^cm2、1

W^cm2、5

W#

cm2和10

Wycm—

当光强小于0.

1

W^cm2时,Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.l,

Jan

2021-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Vbltage/V图6不同光强下的电容(频率为10

GHz)结电容在有无光照条件下基本没有变化。当光

强为1

W^cm2时，在0〜0.4

V区间内，结电

容变大。当光强为5

W^cm2和10

W#W、偏

压在0.4

V以下时，结电容迅速上升。在同一,结电

区间

是上升的。式（5）为总电容公式，其中G和G分代表

电

容和势垒电容。C=Cd

+Ct(5)_______!!2NaNd_______2$Fa+!2Nd

)G6)d-V)式（6）为势垒电容公式，其中！和！分别

代表两种材料的介电常数！

Na和Nd分

代

表P层和r层的掺杂浓度，Vd代表内建电场,

V代表外加偏压。由于

电容由少子

打在反向偏压和小的正向偏压下可以不予考虑,

因此结电容基本由势垒电容决定。由式（6）可

}!结电容随外加偏压的

增大。这是因http:

//.

ac.

cn/hw第42卷，第1期红外5为结电容基于光生载流子的快速移动，而反向

偏压

生

子的移动，正向偏压使光生

子的移动加速，所以从负偏压到正偏压

时结电容会变大&当光强小于1

WcI时，产

生的

生

子 ，

结电与无光照情况下差别不大&当

大于1

V#cm2时，光生

子

增，光生

.子对结电容的

迅速上升，结电容增大&7给出了不

的电

化趋势。其中，频率分别为100

kHz、1

MHz、10

MHz、

100

MHz、1

GHz 和

10

GHz。在同一电压下，

结电容随着频率的

减小。

中也能看到

的

当电压在0.5〜1V

|内时，结电容的变化趋势

&其中，当偏压为

0.9

V时，电容值分别为77

nF、74

nF、40

nF、

18

nF、18

nF和1.5

nF。在高频时，热离子发

射速度跟不上高频信号的变化，电荷

电效

应减弱，结电容减小。在低频时，热离子发射

上

信号的变化，电荷

电效应增强，结电容增大。在正向偏压下，峰值的产

生与

电容有关；

偏压下，结电容由势垒电容决定&当正向偏压

增大时，

能

近缺陷能级，电荷从价带跃迁到导带

的

与被缺陷能级所

的

当，电荷结电容的

到最大。当正向偏压继续增大时，

能

离缺陷能级，电荷大部分被陷能

，结电容减小。3总结本文设计了

一种p-7n型InP/InosGaw

-As/In^Ga^As光电探测器，并模http：///hw浓度和台阶宽度对探测器暗电流和结电容的影

响。结果表明，暗电流随吸收层掺杂浓度的增

大

，而结电

随之增大，

需要合理选

的掺杂

&窄的

使陷减少，暗电

&结电容与有效

面

成正比&窄的

使有效

面

「小，结电容更小。最后研究

和

器件结

电容的

&

，器件的结电

化不大；当

上升到1

H^cm2时，结电容迅速

上升&器件的结电容随

的

。该研究结果为研制低暗电流和高响应速度的p-—n

InP/InGaAs光电探测器

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