小像元InSb紅外焦平面器件光電性能仿真

朱旭波，李 墨，何英杰，呂衍秋

(1. 中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009； 2. 紅外探測器技術航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009； 3. 河南省銻化物紅外探測器工程技術研究中心，河南 洛陽 471009)

0 引 言

高性能制冷型紅外探測器是紅外武器裝備的核心器件，目前已廣泛應用于航天、航空、船舶、兵器等軍用光電系統，是現代高技術信息戰爭獲取全維優勢的基礎。目前，大規模紅外焦平面探測器在車載、單兵、小型無人機、精確制導武器等領域有大量迫切需求，同時隨著探測器成本降低，民用領域的應用需求也十分旺盛[1]。為了提升武器裝備性能和降低成本，一種有效途徑是發展小像元探測器技術。由于紅外探測器成本與芯片面積成正比，則小像元探測器能夠顯著降低成本，并且小像元探測器能夠提升紅外圖像的空間分辨率，從而提高探測性能[2]。近年來，5～8 μm中心距的小像元焦平面探測器逐漸發展起來[3-4]。

InSb是一種直接禁帶半導體材料，其電子有效質量小，載流子遷移率高，禁帶寬度小，77 K時僅為0.23 eV，低溫下對紅外光的吸收系數高，約為1014cm-1，量子效率不小于80%。InSb紅外焦平面列陣器件于20世紀90年代發展成熟，目前已成為最重要的中波紅外探測器之一，能夠很好地實現大陣列、小像元、數字化，從而滿足紅外探測器及其光學系統小型化、輕型化、低功耗和高可靠性的發展要求[5-6]。InSb焦平面陣列器件的成結技術包括熱擴散技術、離子注入技術和外延技術等[7]。成熟的技術是把單晶為基體材料，采用Cd擴散、Be或Mg離子注入形成p+-on-n二極管結構[8-9]。隨著分子束外延技術的興起，也采用外延法制備InSb材料形成p-i-n二極管結構[10]。之后進行陣列制備，采用SiO2或SixNy鈍化，制備金屬電極，和硅讀出電路通過銦柱互連混成，再經芯片背減薄和減反射膜淀積達到量子效率的優化。

隨著像元尺寸的減小，InSb紅外焦平面探測器的設計和制備難度會增加。主要面臨的技術難題有小像元間串音抑制和小像元陣列混成互連。背入射情況下，擴散、離子注入或分子束外延成結的耗盡區距離有源區較遠，隨著像元間距的減小，串音會隨之增加[11]。串音抑制技術是小像元焦平面探測器必須解決的關鍵技術之一。由于工藝驗證存在復雜性，需要使用理論模型來分析計算，并且這種復雜結構的計算已經超出了解析模型的能力范圍，因此, 采用TCAD模擬軟件對InSb紅外探測器進行了二維模擬分析。

本文擬開展小像元InSb紅外焦平面探測器的串音性能研究，采用Sentaurus TCAD仿真軟件建立InSb焦平面探測器的串音物理模型，分別對擴散、離子注入和分子束外延成結的7.5 μm像元間距的器件串音進行仿真分析，獲取耗盡區和有源區位置和厚度的相對關系和其他影響因素，為器件結構設計提供理論指導。

1 器件模型

在背照射的3個像素單元的InSb陣列器件模擬中，像元間距為7.5 μm，其中溝道寬度為1.5 μm，光敏面大小為5 μm。入射光只照射中間像元，即像元2，入射光截止波長為5.5 μm，光功率為0.000 1 W/cm2，溫度77 K。通過計算光電流，可分別得到像元2的電流響應率R2和像元1對像元2的串音，被定義為R1/R2。分別建立擴散成結的臺面結模型、離子注入成結的平面結模型和分子束外延結構模型，如圖1所示。采用SiO2作為鈍化膜，考慮了InSb/SiO2界面態的表面復合率的影響[12]。最后采用金作為電極。

圖1 器件模擬結構圖Fig.1 Structure of InSb device simulation

建立擴散成結的臺面結模型如圖1(a)所示，n區由襯底和部分臺面組成，摻雜濃度為1×1015cm-3，p區位于臺面最頂層，高斯分布，峰值摻雜濃度為1×1019cm-3，結深濃度為1×1015cm-3，結深在0.6～1 μm之間變化，器件厚度在10～24 μm之間變化，臺面溝道深度在1～8 μm之間變化。

建立離子注入成結的平面結模型如圖1(b)所示，n區由大部分襯底組成，摻雜濃度為1×1015cm-3，p區平面成結，高斯分布，峰值摻雜濃度為1×1019cm-3，結深濃度為1×1015cm-3，結深在1～8 μm之間變化，器件厚度在10～24 μm之間變化。

建立分子束外延結構模型如圖1(c)所示，在重摻雜InSb的襯底上生長p-i-n結構。即先在InSb襯底外延一層600 nm厚的n型(摻Te)的緩沖層，然后外延n型吸收層和400 nm頂層p型(摻Be)接觸層。襯底摻雜濃度為2.6×1018cm-3，吸收層厚度在1～2 μm之間，摻雜濃度在1×1015～6×1015cm-3之間，緩沖層和接觸層摻雜濃度分別控制在4×1017cm-3和1×1018cm-3。器件厚度在10～24 μm之間變化，臺面溝道深度1～8 μm之間變化。

半導體光電輸運方程包括泊松方程, 電子、空穴連續性方程, 光產生率和復合率方程[13-14], 即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Gphoto=J(x,y,z0)·α(λ,z)×

(6)

(7)

(8)

式中：ψ為靜電勢；R為復合率；q為基本電荷；εs為半導體介電常數；t為時間;n,p分別為電子和空穴濃度；NA,ND為受主和施主濃度；Jn，Jp，μn，μp，Dn，Dp，En，Ep分別表示電子、空穴的電流密度、遷移率、擴散系數和有效電場；G為電子、空穴產生率；J(x,y,z0)為入射光空間分布強度，z0為沿入射光傳播方向吸收開始位置；α(λ,z)為吸收系數；λ為入射光波長。在理論計算中，復合項不僅考慮了與隧穿相關的陷阱輔助隧穿和帶到帶直接隧穿產生復合，而且還考慮了與熱相關的SRH復合(RSRH)和Auger復合(RAuger)。

最后，基于Sentaurus TCAD平臺將以上方程用有限元方法離散化聯立迭代求解，開展器件數值模擬計算，建立器件性能的物理模型。

2 器件性能仿真

2.1 臺面結器件

對臺面結模型，仿真計算了臺面結器件的厚度、臺面溝道深度、結深對電流響應率和串音的影響，如圖2所示。由圖2(a)可以看出，電流響應率隨器件厚度的增加而減小，這是因為背入射時n區對光的吸收并不均勻，隨著光的前進距離增加，吸收呈指數衰減，即光的吸收主要發生在剛開始的一段距離； 由于p區的厚度固定不變，器件厚度的增加導致主要吸收區離結區的距離增大，光生載流子在擴散過程中被復合的概率就越大，則產生的光響應就越小。同時，隨著溝道深度的增加，電流響應率逐漸減小。這是因為溝道的存在減少了吸收區域體積，同時增加了表面面積以致表面復合變多，使載流子擴散到結區域的數量減少，導致光電流減小。由圖2(b)可以看出，串音隨器件厚度的增加而增加，這是因為器件厚度的增加會導致結區遠離光生載流子的產生區域，橫向擴散作用的占比增加，導致更多的光生載流子擴散至臨近像元，被臨近像元的縱向電場抽取到其結區，增加了光串音。同時，隨著溝道深度的增加，串音逐漸減小，這是因為溝道隔斷了部分載流子擴散到其他像元的路徑。

圖2 臺面結器件仿真結果Fig.2 Simulation results of mesa junction device

當選擇器件厚度為10 μm，溝道深度為1 μm時，結深與光電流響應率和串音的關系如圖2(c)～(d)所示。可以看出，隨著結深的增加，光電流響應變大而串音減少。這是因為pn結區的下移，減少了光生載流子到達路程，降低了被復合的概率。同樣，pn結區更靠近光生載流子的產生區域，使中間像元的結區對載流子的拉動作用增強，從而減少了光串音。

所以，臺面結器件要增加光電流響應和減少串音，有效的方法是減小器件厚度和增加結深，但是器件厚度受減薄工藝水平限制，結深受擴散工藝水平限制，因此可采用深離子注入方式來增加結深。

2.2 平面結器件

對平面結模型，仿真計算了平面結器件的厚度、結深對電流響應率和串音的影響，如圖3所示。

圖3 平面結器件仿真結果Fig.3 Simulation results of planar junction device

由圖3可以看出，隨著器件厚度的增加，電流響應率減小而串音增加，而隨著結深的增加，電流響應率增加而串音減小。原因與臺面結相同。所以，平面結器件要增加光電流響應和減少串音，有效的方法也是減小器件厚度和增加結深。由于離子注入可以做比較深的結，因此器件厚度減薄到10 μm時，將結深做到8 μm，可以得到大于6.0 A/W的電流響應率和小于10%的串音。與溝道深1 μm、減薄到10 μm的臺面結器件對比，電流響應率幾乎翻倍，串音更是極大地減小。

2.3 外延結構器件

對外延結構模型，仿真計算了外延結構器件的厚度、臺面溝道深度、吸收區厚度和摻雜濃度對電流響應率和串音的影響，如圖4所示。

圖4(a)～(b)為吸收區摻雜濃度為2×1015cm-3、厚度1.6 μm時得到的器件厚度、臺面溝道深度變化對電流響應率和串音的影響。可以看出，電流響應率隨器件厚度的增加而減小，串音隨器件厚度的增加而增加，原因也與臺面結相同。但是電流響應率隨著臺面溝道深度的增加，不同器件厚度的器件呈現出不同的規律。當器件厚度為10 μm時，電流響應率隨臺面溝道深度的增加而增加，這是因為不同摻雜濃度的InSb材料對紅外光的吸收系數不同，更多的中波紅外光吸收發生在吸收區，溝道深度大于2 μm時，對光照起主要作用的吸收區域并沒有大的改變，同時溝道越深，減少了串音，從而光電流響應率增加。但是溝道深度為1 μm時，電流響應率也較高，這是因為溝道深度小于吸收層厚度，相當于增加了吸收區體積，這樣就有更多的光電流產生。當器件厚度為20 μm以上時，電流響應率隨臺面溝道深度的增加而減小，這是因為器件厚度較大時，依然吸收了較大部分的中波紅外，使到達吸收區的紅外光線減少。產生的載流子要經過較長的距離才能到達結區，同時增加了表面面積以致表面復合變多，使得載流子擴散到結區的數量減少，導致光電流減小。但在溝道深度為2 μm時出現了例外情況，因為2 μm的深度處于緩沖層，電極在緩沖層上導致計算結果出現少量偏離。串音隨器件厚度和臺面溝道深度的變化規律，基本與臺面結相同。綜合考慮，選擇臺面溝道深度為1 μm，器件厚度為10 μm，有利于提高光電流響應率和減少串音。

圖4 外延結構器件仿真結果Fig.4 Simulation results of epitaxial device

當溝道深度為1 μm，芯片厚度為10 μm時，得到電流響應率和串音隨吸收區厚度和摻雜濃度的變化規律，如圖4(c)～(d)所示。可以看出，隨著吸收區厚度的增加，電流響應率和串音都在改善。因為芯片總厚度不變，吸收區厚度增加則會吸收更多的中波紅外光，產生的載流子更容易達到結區，那么電流響應率增加，結區對載流子的拉動作用變強，串音也相對減少。同時，隨著吸收區摻雜濃度的增加，電流響應率減小而串音也減小，這是因為摻雜濃度增加導致耗盡區寬度變窄，相對增加了載流子到達結區的距離，相對增加了溝道深度，使串音減小。這表明增加吸收層厚度能夠提高光電流響應率和減小串音，摻雜濃度建議選擇2×1015cm-3。

3 結果與討論

無論是臺面結、平面結還是外延結構，芯片厚度減小到10 μm時，都顯著增加了光電流響應率和減小了串音。因此，提高器件的減薄工藝水平，有助于提升小像元尺寸的器件性能。但從光電流響應率要求考慮，平面結具有較高的光電流響應率(在3.0 ～6.0 A/W范圍)，外延結構次之(在2.4 ～3.0 A/W范圍)，臺面結相對較小(在0.5 ～3.0 A/W范圍)。從串音要求考慮，臺面結和平面結具有相當的串音水平(在10%～70%范圍)，外延結構能達到的最小串音偏大(在30%～60%范圍)，有源區和耗盡區盡量靠近，可以減小相鄰光敏元之間的串音，還可以通過改變結深和臺面溝道深度等措施，改善臺面結光電流響應和串音，通過增加結深改善平面結光電流響應和串音，通過增加吸收層厚度和選擇合適的摻雜濃度改善外延結構的光電流響應和串音。

4 結 束 語

本文對小像元InSb紅外焦平面陣列器件的光電流響應和串音進行了研究，采用背照射的3個像素單元的InSb陣列器件，其中主要研究了器件尺寸、結深、摻雜濃度等參數對電流響應率和串音的影響。結果表明，要增加光電流響應和減少串音，對臺面結器件和平面結器件來說，需要減小器件厚度和增加結深，但綜合考慮工藝，臺面結采用擴散方式的結深難以做得太深，平面結可以采用深離子注入方式來增加結深。對外延結構器件來說，可以采用分子束外延方法方便控制各層厚度和摻雜濃度，通過增加吸收層厚度和選擇合適的摻雜濃度來改善其光電流響應和串音。本文的仿真結果，對小像元(特別是尺寸為5～8 μm)InSb紅外焦平面陣列器件的結構設計和光電性能驗證提供理論指導。