子像元结构碲镉汞光伏器件暗电流特性的研究

乔 辉，李向阳



子像元结构碲镉汞光伏器件暗电流特性的研究

乔 辉，李向阳

（中国科学院上海技术物理研究所 中科院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083）

针对碲镉汞光伏器件的暗电流随着物理面积增大而急剧增加，研究了子像元结构在降低大面积短波碲镉汞光伏器件暗电流方面的有效性。发现子像元结构在室温下相比常规结构可以有效降低器件的暗电流，但当温度降到180K时，常规结构器件反而具有最小的暗电流，经过分析认为是子像元边界处引入的表面漏电所致。如果器件的表面态密度和表面固定电荷过多，会使得子像元边界在低温下引入表面隧穿电流和表面欧姆电流，这些与边界有关的表面漏电会成为低温下暗电流的主要成分，从而使子像元结构失去降低器件暗电流的优势。文章中同时给出了低温下子像元结构可以有效降低器件暗电流的条件，并针对不同的子像元结构，提出了漏电体积这一参量来评价不同结构子像元降低器件暗电流的效果。

暗电流；子像元；光伏器件；漏电体积；碲镉汞

0 引言

随着红外探测在各种航天遥感应用中的普及，许多的红外探测需求都需要具有较大光敏感面积的红外探测器，比如风云三号气象卫星中用于高光谱大气垂直探测的碲镉汞光伏器件，其光敏面为1.25mm，嫦娥五号探月项目中用于月球矿物探测的短波红外探测器，要求感光面积为1mm×1mm，并且器件在近室温工作。所有这些技术要求对红外探测器研制都提出了新的挑战，其中一个主要的问题是随着光敏面积的增大和工作温度的提高，器件的暗电流水平会急剧增加。通常来说，与器件暗电流有关的电学缺陷和漏电通道只有位于结区或耗尽区内才会对器件的暗电流有明显贡献，那么很容易想到的一个降低暗电流的方法便是减少结区面积。pn结的少子扩散收集效应使通过电学方法来降低结区面积这一方案成为现实[1-2]。所谓少子扩散收集效应是指产生的少子在距离结区电场一个载流子扩散长度的距离时，会通过扩散效应到达结区电场而被收集，这样可以在光敏面内形成多个子注入区即子像元，在子像元之间的区域，光照产生的载流子会通过少子扩散收集效应到达结区从而对信号产生贡献，因此这一结构大大降低了注入区的面积，从而降低了位于或穿过结区的电学缺陷和漏电通道数量，从而达到降低器件暗电流的目的。本文中采用不同的子像元结构制备得到短波大面积碲镉汞单元光伏器件，并对其电学特性进行了相关研究。

1 器件原理与制备

子像元碲镉汞光伏器件的原理如图1所示，图1(a)中给出的是常规的pn结光伏器件，通过耗尽区及两侧的中性区产生的光生载流子在垂直方向的漂移或者扩散-漂移运动来实现对入射光的探测。图1(b)中给出的子像元光伏器件则是主要通过子像元之间的中性区产生光生的光生载流子在水平方向的扩散-漂移运动来实现对入射光的探测，因此又称为水平收集器件（Lateral Collection Diode）。由于子像元结构的光伏器件主要利用的是载流子的扩散效应，因此预期可以降低器件的暗电流，并且由于pn结的电学面积大大减少，结电容会明显降低，还有利于提高器件的响应速率和带宽。根据子像元光伏器件的原理设计了3种子像元结构的碲镉汞光伏器件，并对其电流-电压特性进行了初步的分析。

实验中的n-on-p平面型碲镉汞光伏器件按照常规工艺制备而成，p型碲镉汞材料组分为0.49，为通过MBE方法生长得到的Si基碲镉汞外延薄膜材料，经过清洗、腐蚀、离子注入形成n型区后表面生长400nm，ZnS薄膜作为钝化层，然后通过光刻工艺形成p/n电极。器件制备完成后利用探针台对其电流-电压（-）特性进行了测试，测试温度为室温300K和低温180K。图2给出光伏器件的结构图，光敏元尺寸为1mm。图3给出离子注入区所采用的4种结构，A为常规结构，即离子注入区域为整个1mm的光敏区；B、C、D则为3种子像元结构，不同尺寸的子注入区均匀分布在1mm的光敏区内，其中结构B的子像元尺寸为100mm，中心间距为200mm，结构C和D的子像元尺寸为20mm，中心间距分别为40mm和80mm。为了消除材料均匀性对结果的影响，4种结构的器件在同一片材料上通过一轮工艺同步制备完成。

图1 子像元器件结构原理

图2 Si基短波碲镉汞光伏器件的结构

2 实验结果与讨论

图4给出4种结构的器件在300K和180K下的电流-电压特性曲线的对比，可以看出4种结构在室温和低温下表现出不同的暗电流特性。在室温下，暗电流主要是扩散电流和产生复合电流，常规结构A的暗电流最大；而在低温下，暗电流主要表现为隧穿电流，常规结构A的暗电流反而最小。说明子像元结构在室温下起到了抑制器件暗电流的效果，但在低温下其暗电流抑制效果失效。

光伏器件的暗电流机制是分析光伏器件性能的重要理论基础，已有许多作者对此进行了分析[3-4]。光伏器件的暗电流机制主要包括：n区和p区的扩散电流dif，势垒区的产生复合（g-r）电流g-r，直接隧道电流btb，通过缺陷中心的间接隧道电流tat以及表面漏电。

图3 四种不同的注入区结构

图4 不同温度下不同注入区结构器件的电流-电压特性对比

图5给出结构A器件在室温和低温下的反向电流-电压特性曲线。根据光伏器件的暗电流机制，通过扩散电流、产生复合电流和表面欧姆漏电的拟合可以计算得到器件300K下的反向暗电流，如图6所示，可以看出计算值和实验值基本相符，计算中假设n区电子浓度为1018cm－3，p区空穴浓度为1016cm－3，产生复合中心密度为6×1014cm－3，计算中考虑了表面欧姆漏电的影响，旁路电阻为5×105W。在较低反向偏压下计算值与实验值相差较大是由于器件串联电阻的影响，由于串联电阻的存在，小反偏下器件的结电阻与串联电阻之间产生分压，因此器件的反偏暗电流随着偏压增加较慢。随着反向偏压增加，器件的结电阻迅速增加，串联电阻的分压效果逐渐降低，因此在较大反偏时计算值与实验值符合较好。将此拟合计算中的温度改为180K时，得到如图7的反向暗电流，明显可以看出，计算值与实验值相差很大，更为明显的是二者具有不同的内在物理机制，计算电流表现出产生复合电流的特点，而实验值却明显具有隧穿电流的特征。

子像元结构的光伏器件相比传统结构虽然pn结的电学面积降低，但其表面边界长度却明显增加，更为重要的是，耗尽区在靠近表面的区域会因为表面固定电荷的原因变窄，此时隧穿过程更容易发生。假设受表面电荷影响的n型区深度为1mm，通过将表面隧穿电流和表面产生复合考虑在内后，计算得到的反向暗电流如图8中所示，计算值与实验值就基本相符。这里需要指出与表面欧姆电流有关的旁路电阻低温下需修正为5×106W。在上面计算表面隧穿电流和表面产生复合电流的过程中，p型层的空穴浓度比体内高出半个量级，为6.5×1016cm－3，表面耗尽区内的产生复合中心密度值要比体内6×1014cm－3高出2个量级，达到6.3×1016cm－3，可见器件的表面电荷和表面态对于表面漏电流的影响非常明显。在室温下，器件中的暗电流主要来自于器件的本征热激发[5]，以扩散电流和产生复合电流为主，随着温度降低，器件的本征载流子浓度i急剧降低，扩散电流随温度按照i2变化规律降低，空间电荷区的产生复合电流随温度按照i的变化规律降低，由于体内扩散电流和产生复合电流的急剧降低，使得与表面有关的表面漏电在低温下凸显出来成为暗电流的主要机制，因此可以认为正是由于与表面有关的隧穿电流和欧姆电流的存在使得子像元结构在低温下失去了抑制器件暗电流的效果。考虑到子像元结构的主要特点是降低器件的结面积，如果要在低温下仍然保持子像元结构对暗电流的抑制效果，必须使与结面积相关的体暗电流在低温下占主导作用。对于本文中的器件，在仅仅考虑表面隧穿电流的情况下，如果体内空穴浓度为1016cm－3，如果要使体暗电流在低温下占主导，器件的表面积累层空穴浓度不能超过5×1016cm－3。除此之外为了降低器件的表面欧姆电流，需要使器件具有尽量大的旁路电阻。

图5 结构A器件在室温和低温下的反向电流-电压特性曲线

图6 结构A器件在300K下反向暗电流的实验和拟合结果

图7 结构A器件180K下反向I-V特性曲线的计算值与实验值对比，计算值包括了扩散电流、产生复合电流和表面欧姆漏电

表1给出4种结构的相关参数。可以看出，结构A作为常规结构具有最大的注入区面积和最小的注入区边界长度，并且低温下器件的暗电流特性与器件的像元总周长密切相关，说明低温下的暗电流主要来自于与像元边界有关的表面漏电。根据文献，对于变面积的单元光伏器件，其周长面积比（/）与表面漏电密切相关[6-7]，通常具有最小周长面积比的器件其表面漏电的影响最小，B、C和D三种子像元结构由于具有较大的周长面积比，因此其表面漏电具有较大的影响，但在子像元结构中，暗电流是来自于具有相同周长面积比的大量子像元器件的并联，此时单个器件的周长面积比不足以评价表面漏电的影响，如表1中所示，如果就子像元单元而论，结构C和D具有相同的周长面积比，但结构C却具有更大的暗电流。因此需要一个新的参数来评价子像元器件中表面漏电的影响。这里引入一个新的参量-周长面积之积（可以称之为漏电体积）来对不同子像元结构对暗电流的抑制效果进行评价，从表1中可以看出，相对单元器件，具有最小的漏电体积的子像元结构具有最佳的暗电流抑制效果。

图8 结构A器件180K的反向偏压I-V曲线的实验值与计算值对比，计算过程中考虑了扩散电流、产生复合电流、表面欧姆漏电以及表面隧穿电流以及表面产生复合电流

表1 各个像元结构的物理参数

3 结论

本文研究了子像元结构在降低碲镉汞光伏器件暗电流方面的有效性。由于子像元结构的主要特点在于降低了器件的结面积，因此如果要使子像元结构能够有效降低器件的暗电流，必须使与结面积有关的暗电流在器件暗电流中占据主导地位，这就需要降低器件中与表面有关的漏电，包括表面隧穿电流和表面欧姆电流。此外为了评价对比不同子像元结构对器件暗电流的抑制效果，提出了漏电体积这一概念，认为相对无子像元结构的器件，具有最小漏电体积的子像元结构能够表现出最佳的暗电流抑制效果。

[1] Holloway H, Hurley M D, SchermerE B. IV-VI semiconductor lateral collection photodiodes[J]..,1978, 32(1): 65-67.

[2] Holloway H. Theory of lateral collection photodiodes[J]., 1978, 49(7): 4264-4269

[3] Gopal V, Gupta S, Bhan R K, et al.[M]. 2003: 44, 143.

[4] Nguyen T H, Musca C A, Dell J M, et al. The effects of vacuum baking on the-characteristics of LWIR HgCdTe photodiodes[C]//, 2004, 5274: 433.

[5] 褚君浩. 窄禁带半导体物理学[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

CHU Junhao.[M]. Beijing: Science Press, 2005.

[6] McLevige W V, Williams G M, DeWames R E, et al. Variable-area diode data analysis ofsurface and bulk effects in MWIR HgCdTe/CdTe/ sapphire photo detectors[J].., 1993(8): 946-952

[7] Vishnu Gopal. Variable-area diode data analysis of surface and bulk effects in HgCdTe photo detector arrays[J].., 1994(9): 2267-2271.

Study of the Dark Current Characteristics of Sub-pixel Structure HgCdTe Photovoltaic Detectors

QIAO Hui，LI Xiangyang

(,,,200083,)

Sub-pixel structures have been applied to reduce the dark current of HgCdTe photovoltaic detectors with a large photo sensitive area, and their effectiveness has been evaluated. It was found that the sub-pixel structures led to a smaller dark current than one large pixel structure at room temperature, but they result in a greater dark current at 180 K. The analysis showed that the larger dark current at 180 K for the sub-pixel structure was caused by a surface leakage current introduced through the periphery. The surface states and fixed charges present at the interface of the passivation layer and HgCdTe surface could introduce surface tunneling current and surface shunting current, and these periphery-related surface dark current could become dominant at low temperatures, which rendered the sub-pixel structure meaningless in reducing the dark current of the large area detectors. The requirements for using sub-pixel structures at low temperatures were also given, and the term “leakage current bulk” has been put forward to assess different sub-pixel structures when used to decrease the dark current.

dark current，sub-pixel，photovoltaic detector，leakage current bulk，HgCdTe

TN215

A

1001-8891(2017)06-0489-06

2016-04-02；

2016-10-20.

乔辉（1979-），男，山东莱阳人，博士，研究方向为光电材料与器件。

国家自然科学基金（11304335）。