不同電極尺寸對光電二極管電流的影響

祁嬌嬌,趙 凱

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

HgCdTe是一種Ⅱ-Ⅵ族窄禁帶化合物半導體,在短波、中波、長波和甚長波等各個紅外波段均為主流的紅外探測器材料,具有帶隙可調,光吸收系數大,載流子壽命長,電子遷移率高等優點[1]。由HgCdTe材料制備的紅外探測器在整個紅外波段都具有很高的光子吸收率；而且工作溫度較高(77 K),具有很高的探測性能,在過去的50多年中,HgCdTe紅外探測器在氣象、地球觀測、醫療、通訊、軍事等方面均取得了長足的進步[2]。目前已發展到了第三代紅外焦平面探測器,器件呈現高集成度、高工作溫度、低成本等特點[3-4]。目前對碲鎘汞紅外探測器的研究已經取得很大成果,但像元金屬層尺寸對器件電學參數的影響卻鮮有報道。

由于HgCdTe材料自身的性質及工藝的特殊性,影響探測器性能的參數較多,工藝過程波動大,實驗數據難以真實反映其性能。目前可以通過軟件模擬的方式對HgCdTe材料和器件進行仿真模擬,排除工藝過程中工藝波動帶來的影響,縮短工藝驗證周期,極大地節約了金錢和時間成本[5-7]。本篇文章基于TCAD Sentaurus半導體仿真軟件,針對HgCdTe長波探測器的像元尺寸對器件電流的影響進行仿真模擬,分析了光伏型紅外探測器的工作原理,建立相應長波器件二維模型,分析了不同電極尺寸條件對器件電流的影響,并對影響機理進行了分析,并得出一系列結果,為器件電極尺寸的設計工藝奠定了基礎。

2 數值模型

2.1 光伏器件簡介

Hg1-xCdxTe是三元化合物半導體材料,光伏器件由p-n結組成,如圖1所示[8]。

圖1 光伏器件結構圖Fig.1 Structure of a photoelectric device

從圖中可以看出p區為器件的吸收層,p區與n區形成pn結,光伏器件的主體結構為pn結。輻射的紅外信號在器件中被吸收后,在p-n結中或者在p區、n區產生非平衡的電子空穴對,p區、n區產生非平衡的電子空穴對向p-n結擴散,并在p-n結的空間電場中運動,從而導致p-n結表面勢的變化,對外電路貢獻光電流。基于n-on-p的器件結構進行分析,二極管的總電流It由光生電流Ip加上暗電流Id(V)組成:

It=-Ip+Id(V)

(1)

理想情況下暗電流是:

其中,I0是二極管的飽和電流;e是元電荷電量;V是np電極之間的電壓值;kB是玻爾茲曼常數;T是二極管的工作溫度。光電流密度可以表達為:

Jp=eηQ

(3)

其中,η是器件的量子效率;Q是被吸收的少子數目。

2.2 器件結構模型

首先利用Structure Editor 界面進行器件結構的設計和有限元網格的劃分,器件結構剖面圖如圖2所示。在P型Hg1-xCdxTe襯底(P-body)上進行離子注入形成PN結。P-body區、N+區的Cd組分值x一致,該PN結為同質平面結,x=0.22。器件的電極以及接觸孔刻蝕損傷對器件暗電流的影響忽略不計,表面鈍化層的影響則以Hg1-xCdxTe表面態作為邊界條件簡化,結區載流子分布簡化為均勻分布,P和N字母代表P-body區和N+區電極,材料及器件結構具體參數如表1所示。

圖2 光電二極管剖面圖Fig.2 Profile structure of photoelectric diode表1 材料及器件結構模擬參數Tab.1 Simulation parameters of material and device

參數數值截止波長/μm9.5x0.22N區摻雜濃度/cm-31×1018P區摻雜濃度/cm-33×1016Z軸寬度/μm0.1 器件工作溫度/K77N區深度/μm1.5P區厚度/μm6邊界反射系數1

2.3 材料特性參數

設計好器件基本模型后,還要在材料庫中定義材料參數,Hg1-xCdxTe作為ⅡⅥ族化合物半導體,它的各項材料參數如下:

1)能帶

Eg=-0.302+1.93×x-0.810×x2+

0.832×x3+5.354×10-4(1-2×x)

其中,x是Cd組分比例;T是晶格溫度。

2)電子親和能

χ=4.23-0.813×(Eg(T)-0.083)

(5)

3)介電常數

ε=20.5-15.5×x+5.7×x2

(6)

4)電子空穴有效質量

5)電子空穴遷移率

μh=0.01×μe

(10)

3 仿真結果及分析

3.1 仿真結果

本文基于上述材料及器件結構參數,在不同電極尺寸條件下,對器件結構進行仿真。圖3是不同電極尺寸條件下的器件結構。

圖3 不同電極尺寸條件下器件結構圖Fig.3 Structures ofdevice underdifferent electrode sizes condition

根據以上器件結構,不同電極尺寸條件下分別進行對二極管電流進行仿真。在電流-電壓曲線的仿真過程中,對器件的背面采用紅外光照模式[9],入射光波長為9.5 μm,入射光能量密度為0.01 W/cm2。不同電極尺寸條件下,器件電流-電壓的仿真結果如圖4所示。從圖中可以看出當隨著電極寬度從27 μm減小到7 μm的過程中,二極管反向電流的絕對值從逐漸減小。

圖4 不同電極尺寸條件下二極管電流隨偏壓的變化曲線Fig.4 Diode current versus voltage under different electrode sizes condition

3.2 結果分析

從上述仿真結果可以看出不同金屬層尺寸對二極管反向電流具有較大的影響。從2.1節光伏器件的簡介可以知道,光伏二極管工作的原理是當紅外信號照射在半導體材料的表面時,以光子的形式進入到半導體體內,并被半導體材料吸收,被吸收的光子數目越多在p-n結中或者在p區、n區產生的非平衡電子空穴對就越多。因此,被吸收的光子數目的多少是影響光電二極管電流的關鍵參數。另外,p區、n區產生的非平衡空穴電子對需要向pn結擴散才可對外電路貢獻光電流。冶金結作為pn結內P型摻雜與N型摻雜的分界面,其附近電勢的變化直接影響電子空穴對的擴散密度,進而影響擴散電流的大小。

基于上述分析,本文從金屬層對冶金結電勢分布的影響和被吸收的光子數目Q兩個角度分析光電二極管電流隨電極尺寸變化的原因。

3.2.1 金屬層對冶金結電勢的影響

在本文的器件結構中,金屬層與半導體表面接觸形成等勢體,金屬層可以分散器件表面的電勢分布,等勢體的電勢由半導體器件表面的電勢決定；金屬層尺寸的變化會使器件表面的寄生電容發生變化,使得電勢對器件的影響由器件表面轉移到絕緣層中,金屬層的變化導致器件冶金結附近的電勢發生變化,冶金結附近擴散電流隨冶金結處電壓值成指數變化[10],因此,冶金結處電壓值的變化會引起二極管電流較大的變化。

圖5是不同電極尺寸條件下冶金結附近電勢分布變化圖。從圖中可以看出隨著電極尺寸的減小,冶金結附近的電勢減小,電極和體區的電勢差減小,擴散電流隨冶金結處電壓值成指數減小,即結區吸收的少數載流子數目減小,光電二極管的對外電路貢獻的光電流減小。

圖5 不同電極尺寸條件下冶金結電勢分布Fig.5 Electric potential distributionunder different electrode sizes condition

3.2.1 金屬層對被吸收光子數目Q的影響

光伏二極管工作時產生的電流是由半導體材料吸收光子產生光生載流子,半導體吸收的光子數目直接決定了光生電流的大小。由公式(1)和式(3)可知,光電二極管電流的大小正比于被吸收的光子數目Q。

圖6是不同電極尺寸條件下,金屬層下方吸收層被吸收光子數目的分布圖。從圖中可以看出隨著電極尺寸的減小,被吸收的光子數目Q減小。因此隨著金屬層尺寸的減小,二極管的反向電流減小。

圖6 不同電極尺寸條件下被吸收光子數目分布圖Fig.6 Q valuesunder different electrode sizes condition

4 總 結

本文使用Sentaurus TCAD 軟件對碲鎘汞光電二極管進行了二維建模,并對不同電極尺寸條件下的光電流進行仿真；從仿真結果可以看出,隨著電極尺寸的減小,二極管的光電流減小。本文從金屬層對冶金結電勢分布的影響和被吸收的光子數目Q兩個角度進行了分析。電極和半導體接觸形成等勢體,對器件內電勢分布具有一定的調制作用,冶金結附近的電勢隨著電極尺寸的減小而減小；不同電極尺寸條件下被吸收的光子密度不同,發現隨著電極尺寸的增大,被吸收的光子數目減小,導致光電流減小。因此隨著電極尺寸的減小,碲鎘汞光電二極管的光電流逐漸減小。仿真結果對工藝具有指導性的作用,為器件的電極工藝設計奠定了基礎。