高溫下In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測器特性分析

杜鵬飛,葉 偉

(陜西理工大學機械工程學院,陜西 漢中 723001)

1 引 言

目前,基于InSb和HgCdTe的紅外檢測系統在非常低的溫度下工作時,需要輔助在低溫杜瓦瓶[1]內以緩解熱效應。但隨著對探測器系統的尺寸、重量等要求不斷地提高,為了減輕冷卻系統的負擔,可以通過處理高溫下器件的熱噪聲,抑制暗電流隨溫度的升高而增加,從而提高紅外成像儀的工作溫度。InGaAs材料作為1～3 μm短波紅((SWI))探測器的主要選擇材料,其探測器的低溫冷卻一直是熱敏紅外系統的負擔。在過去的幾十年里,隨著探測器技術的快速發展,研究人員開發出了不需要低溫冷卻的紅外成像系統后,紅外成像儀在性能和制造成本方面取得了巨大的進步。為了實現能夠在高溫條件下工作,特別是對處于短波紅外范圍內窄帶隙紅外探測器而言,面臨的挑戰是如何處理通過Shockley-Read-Hall(SRH)、輻射和俄歇復合,所引起的少數載流子衰變而導致的高溫熱噪聲增加[2-3]。因此,為了降低器件的熱噪聲,抑制高溫下吸收層的俄歇復合,就需要增加少數載流子的壽命,這是實現目標的關鍵方法之一。少數載流子的壽命[4]從根本上決定了紅外探測器關于高溫工作時的暗電流和外量子效率的高低。在器件方面,高溫工作的紅外成像儀要求更好的光子收集以提高光的信號。利用寬帶隙半導體作為載流子阻擋層,對于抑制產生復合電流和表面漏電流非常重要,可以為少數載流子形成零帶偏移,有利于收集光子產生少數載流子,從而獲得較高的效率[5]。因此,將載流子阻擋層所表現出的特點用于器件的倍增層,即采用寬帶隙半導體來作為倍增層材料來降低暗電流,以改善器件的高溫工作特性。倍增層InP和吸收層InGaAs組成的InP/InGaAs探測器,在波長1310 nm或1550 nm的光通信系統中已經表現出良好的工作性能[6-7]。然而,III-V材料中的三元化合物In0.83Al0.17As比InP更具有作為倍增層材料的優勢,主要原因是InAlAs材料的電子/空穴電離系數[8]、電子遷移率[9]比InP材料的大；與InP/InGaA探測器相比較,In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17Ass探測器的電離系數對溫度變化的敏感性大[10]。因此,In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測器在熱噪聲、增益帶寬、響應時間和溫度變化等方面獲得了更好的工作性能。故In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測器比InP/InGaAs探測器更有利于在高溫條件下工作,目前還沒有關于對In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測器在高溫工作下的報道。

本文采用仿真模擬法對平面型In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測器進行仿真分析,探究了不同溫度對器件暗電流和光響應度的影響規律,分析器件外量子效率大于1的原因,并利用仿真結果計算出器件在高溫工作下的比探測率,為新型紅外探測器在高溫工作下的進一步發展提供指導。

2 器件結構與仿真模型

圖1是器件結構和能帶結構示意圖。在探測器材料體系中,III-V材料(InGaAs)的金屬有機氣相外延技術依賴于結構完整性的半導體襯底,可以生產出高性能器件。因此,該探測器以重摻雜N型GaAs為器件襯底,在其上生長N型In0.83Al0.17As緩沖層,接著是摻雜P型In0.83Ga0.17As吸收層,為了減少吸收層和倍增層在異質結界面上積累的少數載流子,引入四元化合物InGaAsP漸變層,最后是N型摻雜的倍增層和P型摻雜的帽層,如圖1(a)所示。

(a)器件結構示意圖

傳統PIN結構由于過大的耗盡層寬度將導致光生載流子漂移時間延長,使器件的響應速度減弱。相比于PIN結構,該結構將吸收層和倍增層分離設計后,光子的吸收和碰撞電離過程相互獨立,就可以分別對器件進行光電性能的優化,提升響應速度。此外,這種結構可以有效抑制窄帶隙吸收層隧穿的發生。圖1(b)是器件相對應的能帶結構示意圖,其中Ec、Ev和Ef是能帶結構參數,分別表示導帶、價帶和準費米能級。

采用半導體仿真軟件TCAD中的Atlas進行仿真,Atlas是基于物理的二維或三維器件模擬器,模擬的基礎是泊松方程和連續性方程,可以模擬出半導體器件在高溫條件下的電學和光學特性。其中,器件在高溫下工作需要充分考慮溫度依賴于遷移率(1)、載流子漂移-擴散(2)、SRH(3)[11]和俄歇復合(4)模型,同時,遵循光學復合模型和碰撞離化模型,統計分布采用費米-狄拉克統計,計算方法為Newton迭代法。為了后續計算方便,在進行器件的暗電流I(A)特性仿真后,將其I(A)轉換為暗電流密度J(A/cm2),即J-V曲線圖。以下是(1)、(2)、(3)和(4)主要物理模型的數學表達式:

(1)

其中,TL是晶格溫度；un,p為電子和空穴的遷移率；mun、mup、tmun和tmup分別為遷移率參數。

(2)

(3)

其中,Etrap為陷阱能級與本征費米能級之差；τn,p是電子和空穴的壽命；nie是本征載流子濃度。

(4)

其中,Cn和Cp俄歇復合系數。

仿真中用到的部分材料參數如表1所示。

3 結果與討論

圖2是紅外探測器在不同溫度下的暗電流密度與施加偏置電壓特性曲線圖。圖2表明,在施加偏壓-0.8～+0.4 V范圍之間,溫度從160 K增加到300 K時,隨著溫度的升高,器件的暗電流密度在逐漸增大。在-500 mV的偏壓下,160 K時的暗電流密度為6.05×10-7A/cm2,300 K時的暗電流密度為0.485 A/cm2。通過理論公式(5)計算,在高溫160～300 K范圍內,器件在160 K時的活化能為467 meV。結果表明,在溫度160 K時,這與器件從光響應光譜吸收邊估算出的有源區帶隙(480 meV)相接近,這說明在溫度160 K以上時,器件的暗電流主要是由擴散原因所引起的。

圖2 器件在不同溫度下的暗電流密度與施加偏置電壓特性

(5)

其中,JDiff是暗電流密度；Ea是活化能；T是溫度；K是玻爾茲曼常數。

圖3是器件在不同溫度下的微分電阻面積RdA與施加偏置電壓特性曲線圖。利用理論公式(6)計算出器件的微分電阻面積RdA的值,如圖3(a)所示。為了清晰表達出不同溫度下的微分電阻面積RdA值,繪制出零偏置電壓下的微分電阻面積R0A的值,如圖3(b)所示,其中,圖3(b)中的嵌入圖為各溫度(160～300 K)對應的飽和暗電流密度J0。在圖3(a)中可以看到,在溫度升高的同時,器件的微分電阻面積RdA的值在減小,表明高溫工作下器件的性能在逐漸變差。在-500 mV偏置電壓下,計算出器件在160 K時的微分電阻面積RdA是2.26×104Ω·cm2,在300 K時的微分電阻面積是0.053 Ω·cm2。結果表明,溫度的變化可以顯著影響到器件的工作性能。

圖3 器件在不同溫度下的微分電阻面積(RdA)與施加偏置電壓特性

(6)

其中,J為暗電流密度；q是單位電荷量。

圖4是器件在不同溫度下的光譜響應曲線圖。在光電流模擬過程中,采用光強為0.1 W/cm2的1.55 μm波長的正射單色紅外輻射,且施加負偏壓為500 mV進行光學仿真,其光譜響應曲線模擬結果如圖4(a)所示。在波長1.5 μm處,取不同溫度的1000/T為橫坐標,繪制出器件在不同溫度下的光譜響應變化趨勢圖,如圖4(b)所示。在溫度320 K時,器件的光響應度峰值為1.746 A/W,300 K時的光響應度峰值為1.818 A/W,當溫度繼續降低到280 K時,光響應度峰值增加到1.895 A/W,而在溫度降低到260 K時,器件的光響應度峰值減小到1.588 A/W,160 K時的光響應度峰值為0.008 A/W。結果表明,在器件高溫160～320 K的工作范圍內,其光響應度隨著溫度的降低呈現先增大后減小的變化趨勢。在Au-n+GaAs肖特基二極管[12]、ZnS或ZnSTe紫外光電二極管[13]中,可以看到器件的光響應度和不同溫度之間的變化關系,與圖4(a)曲線的變化相似。導致這種情況的根本原因是,器件在高溫條件下會引起少數載流子的擴散長度增加或態密度分布的變化。然而關于InGaAs器件光響應度的負溫度系數報道卻較少,這種負溫度系數相關性與器件倍增層的倍增因子[14]M有關。倍增本質上是載流子碰撞電離過程,此過程與載流子的能量密切相關。當施加固定的反向偏壓時,隨著溫度的升高,載流子濃度隨溫度的變化較小,倍增層的載流子受到聲子散射的增加,從而降低碰撞電離系數和倍增電流。因此,光譜響應呈現負溫度系數。另外,利用理論公式(7)計算了器件在300 K,280 K,240 K和160 K時的外量子效率,分別是150 %,156 %,74 %和3.8 %。結果表明,隨著溫度的降低,器件的外量子效率也相應的先增大后減小。值得注意的是,在高溫300 K時,器件的外量子效率大于1,如此高的外量子效率是由于倍增層InAlAs中載流子的倍增效應引起,當器件倍增層內的電場強度足夠高時,漂移進入其中的載流子與材料的晶格原子發生撞擊而產生電子-空穴對,新生的載流子繼續碰撞產生新的電子-空穴對。因此,一個光子就會產生多個載流子而達到倍增效應,就會出現外量子效率大于1的情況。

圖4 器件在不同溫度下的光譜響應曲線

(7)

其中,η是外量子效率；Nc是載流子數量；NI是光子數量；h是普朗克常量；c是光速；e是單位電荷量；λ是入射光的波長；R是光響應度。

圖5是器件在不同溫度下的比探測率曲線圖。在進行電學和光學表征后,利用理論公式(8)計算出器件在不同溫度下的比探測率。在器件施加負偏壓500 mV和波長1.5 μm處對應的峰值響應度下,計算出器件在溫度160 K時的比探測率為1.28×1010cmHz1/2W-1,在300 K時的比探測率為3.26×109cmHz1/2W-1,從圖5中可以看到,隨著溫度的升高,器件的比探測率降低,表明工作性能在逐漸變差,這是因為由擴散、生成復合、碰撞電離和帶間隧穿引起探測器產生的電流的過程,依賴于溫度的變化,當溫度升高時,載流子的俘獲系數就會變大,導致載流子壽命減小,因此,產生的電流就會逐漸增大,導致器件的比探測率下降。

圖5 器件在不同溫度下的比探測率

(8)

其中,D*是比探測率；R0A是零偏置微分電阻面積；R為光響應度。

通過查閱最近相關報道文獻[15-17]可知,器件在高溫(160～300 K)工作條件下的比探測率集中分布在109～1011cm·Hz1/2·W-1之間。圖6為不同結構的器件在300 K時的比探測率對比圖,其中,器件3為本文計算出的比探測率值,器件1、2、4和5為報道的比探測率值。結果表明,器件3的比探測率值處于報道器件比探測率值的范圍之間,且明顯高于器件1和2,說明該In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探測器可在高溫下進行工作,具有良好的工作性能。

圖6 與最近報道器件的比探測率比較圖

4 結 論

本文利用半導體仿真工具Silvaco-TCAD軟件對In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As紅外探測器進行仿真,模擬計算了該器件在高溫工作條件下的電流特性和光響應度的變化規律。詳細討論了器件在不同溫度160～300 K范圍內,隨著溫度的升高,器件的暗電流依次增大,光響應度呈現出先增大后減小的變化趨勢,進一步計算了在高溫工作條件下表征器件性能參數的大小。結果表明,器件的微分電阻面積RdA和比探測率D*隨著溫度的升高均呈下降趨勢。此研究結果對未來制備具有高性能的短波紅外探測器在高溫工作條件下具有指導意義。