高温下In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As红外探测器特性分析

杜鹏飞,叶 伟

(陕西理工大学机械工程学院,陕西 汉中 723001)

1 引 言

目前,基于InSb和HgCdTe的红外检测系统在非常低的温度下工作时,需要辅助在低温杜瓦瓶[1]内以缓解热效应。但随着对探测器系统的尺寸、重量等要求不断地提高,为了减轻冷却系统的负担,可以通过处理高温下器件的热噪声,抑制暗电流随温度的升高而增加,从而提高红外成像仪的工作温度。InGaAs材料作为1～3 μm短波红((SWI))探测器的主要选择材料,其探测器的低温冷却一直是热敏红外系统的负担。在过去的几十年里,随着探测器技术的快速发展,研究人员开发出了不需要低温冷却的红外成像系统后,红外成像仪在性能和制造成本方面取得了巨大的进步。为了实现能够在高温条件下工作,特别是对处于短波红外范围内窄带隙红外探测器而言,面临的挑战是如何处理通过Shockley-Read-Hall(SRH)、辐射和俄歇复合,所引起的少数载流子衰变而导致的高温热噪声增加[2-3]。因此,为了降低器件的热噪声,抑制高温下吸收层的俄歇复合,就需要增加少数载流子的寿命,这是实现目标的关键方法之一。少数载流子的寿命[4]从根本上决定了红外探测器关于高温工作时的暗电流和外量子效率的高低。在器件方面,高温工作的红外成像仪要求更好的光子收集以提高光的信号。利用宽带隙半导体作为载流子阻挡层,对于抑制产生复合电流和表面漏电流非常重要,可以为少数载流子形成零带偏移,有利于收集光子产生少数载流子,从而获得较高的效率[5]。因此,将载流子阻挡层所表现出的特点用于器件的倍增层,即采用宽带隙半导体来作为倍增层材料来降低暗电流,以改善器件的高温工作特性。倍增层InP和吸收层InGaAs组成的InP/InGaAs探测器,在波长1310 nm或1550 nm的光通信系统中已经表现出良好的工作性能[6-7]。然而,III-V材料中的三元化合物In0.83Al0.17As比InP更具有作为倍增层材料的优势,主要原因是InAlAs材料的电子/空穴电离系数[8]、电子迁移率[9]比InP材料的大；与InP/InGaA探测器相比较,In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17Ass探测器的电离系数对温度变化的敏感性大[10]。因此,In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探测器在热噪声、增益带宽、响应时间和温度变化等方面获得了更好的工作性能。故In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探测器比InP/InGaAs探测器更有利于在高温条件下工作,目前还没有关于对In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探测器在高温工作下的报道。

本文采用仿真模拟法对平面型In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探测器进行仿真分析,探究了不同温度对器件暗电流和光响应度的影响规律,分析器件外量子效率大于1的原因,并利用仿真结果计算出器件在高温工作下的比探测率,为新型红外探测器在高温工作下的进一步发展提供指导。

2 器件结构与仿真模型

图1是器件结构和能带结构示意图。在探测器材料体系中,III-V材料(InGaAs)的金属有机气相外延技术依赖于结构完整性的半导体衬底,可以生产出高性能器件。因此,该探测器以重掺杂N型GaAs为器件衬底,在其上生长N型In0.83Al0.17As缓冲层,接着是掺杂P型In0.83Ga0.17As吸收层,为了减少吸收层和倍增层在异质结界面上积累的少数载流子,引入四元化合物InGaAsP渐变层,最后是N型掺杂的倍增层和P型掺杂的帽层,如图1(a)所示。

(a)器件结构示意图

传统PIN结构由于过大的耗尽层宽度将导致光生载流子漂移时间延长,使器件的响应速度减弱。相比于PIN结构,该结构将吸收层和倍增层分离设计后,光子的吸收和碰撞电离过程相互独立,就可以分别对器件进行光电性能的优化,提升响应速度。此外,这种结构可以有效抑制窄带隙吸收层隧穿的发生。图1(b)是器件相对应的能带结构示意图,其中Ec、Ev和Ef是能带结构参数,分别表示导带、价带和准费米能级。

采用半导体仿真软件TCAD中的Atlas进行仿真,Atlas是基于物理的二维或三维器件模拟器,模拟的基础是泊松方程和连续性方程,可以模拟出半导体器件在高温条件下的电学和光学特性。其中,器件在高温下工作需要充分考虑温度依赖于迁移率(1)、载流子漂移-扩散(2)、SRH(3)[11]和俄歇复合(4)模型,同时,遵循光学复合模型和碰撞离化模型,统计分布采用费米-狄拉克统计,计算方法为Newton迭代法。为了后续计算方便,在进行器件的暗电流I(A)特性仿真后,将其I(A)转换为暗电流密度J(A/cm2),即J-V曲线图。以下是(1)、(2)、(3)和(4)主要物理模型的数学表达式:

(1)

其中,TL是晶格温度；un,p为电子和空穴的迁移率；mun、mup、tmun和tmup分别为迁移率参数。

(2)

(3)

其中,Etrap为陷阱能级与本征费米能级之差；τn,p是电子和空穴的寿命；nie是本征载流子浓度。

(4)

其中,Cn和Cp俄歇复合系数。

仿真中用到的部分材料参数如表1所示。

3 结果与讨论

图2是红外探测器在不同温度下的暗电流密度与施加偏置电压特性曲线图。图2表明,在施加偏压-0.8～+0.4 V范围之间,温度从160 K增加到300 K时,随着温度的升高,器件的暗电流密度在逐渐增大。在-500 mV的偏压下,160 K时的暗电流密度为6.05×10-7A/cm2,300 K时的暗电流密度为0.485 A/cm2。通过理论公式(5)计算,在高温160～300 K范围内,器件在160 K时的活化能为467 meV。结果表明,在温度160 K时,这与器件从光响应光谱吸收边估算出的有源区带隙(480 meV)相接近,这说明在温度160 K以上时,器件的暗电流主要是由扩散原因所引起的。

图2 器件在不同温度下的暗电流密度与施加偏置电压特性

(5)

其中,JDiff是暗电流密度；Ea是活化能；T是温度；K是玻尔兹曼常数。

图3是器件在不同温度下的微分电阻面积RdA与施加偏置电压特性曲线图。利用理论公式(6)计算出器件的微分电阻面积RdA的值,如图3(a)所示。为了清晰表达出不同温度下的微分电阻面积RdA值,绘制出零偏置电压下的微分电阻面积R0A的值,如图3(b)所示,其中,图3(b)中的嵌入图为各温度(160～300 K)对应的饱和暗电流密度J0。在图3(a)中可以看到,在温度升高的同时,器件的微分电阻面积RdA的值在减小,表明高温工作下器件的性能在逐渐变差。在-500 mV偏置电压下,计算出器件在160 K时的微分电阻面积RdA是2.26×104Ω·cm2,在300 K时的微分电阻面积是0.053 Ω·cm2。结果表明,温度的变化可以显著影响到器件的工作性能。

图3 器件在不同温度下的微分电阻面积(RdA)与施加偏置电压特性

(6)

其中,J为暗电流密度；q是单位电荷量。

图4是器件在不同温度下的光谱响应曲线图。在光电流模拟过程中,采用光强为0.1 W/cm2的1.55 μm波长的正射单色红外辐射,且施加负偏压为500 mV进行光学仿真,其光谱响应曲线模拟结果如图4(a)所示。在波长1.5 μm处,取不同温度的1000/T为横坐标,绘制出器件在不同温度下的光谱响应变化趋势图,如图4(b)所示。在温度320 K时,器件的光响应度峰值为1.746 A/W,300 K时的光响应度峰值为1.818 A/W,当温度继续降低到280 K时,光响应度峰值增加到1.895 A/W,而在温度降低到260 K时,器件的光响应度峰值减小到1.588 A/W,160 K时的光响应度峰值为0.008 A/W。结果表明,在器件高温160～320 K的工作范围内,其光响应度随着温度的降低呈现先增大后减小的变化趋势。在Au-n+GaAs肖特基二极管[12]、ZnS或ZnSTe紫外光电二极管[13]中,可以看到器件的光响应度和不同温度之间的变化关系,与图4(a)曲线的变化相似。导致这种情况的根本原因是,器件在高温条件下会引起少数载流子的扩散长度增加或态密度分布的变化。然而关于InGaAs器件光响应度的负温度系数报道却较少,这种负温度系数相关性与器件倍增层的倍增因子[14]M有关。倍增本质上是载流子碰撞电离过程,此过程与载流子的能量密切相关。当施加固定的反向偏压时,随着温度的升高,载流子浓度随温度的变化较小,倍增层的载流子受到声子散射的增加,从而降低碰撞电离系数和倍增电流。因此,光谱响应呈现负温度系数。另外,利用理论公式(7)计算了器件在300 K,280 K,240 K和160 K时的外量子效率,分别是150 %,156 %,74 %和3.8 %。结果表明,随着温度的降低,器件的外量子效率也相应的先增大后减小。值得注意的是,在高温300 K时,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层InAlAs中载流子的倍增效应引起,当器件倍增层内的电场强度足够高时,漂移进入其中的载流子与材料的晶格原子发生撞击而产生电子-空穴对,新生的载流子继续碰撞产生新的电子-空穴对。因此,一个光子就会产生多个载流子而达到倍增效应,就会出现外量子效率大于1的情况。

图4 器件在不同温度下的光谱响应曲线

(7)

其中,η是外量子效率；Nc是载流子数量；NI是光子数量；h是普朗克常量；c是光速；e是单位电荷量；λ是入射光的波长；R是光响应度。

图5是器件在不同温度下的比探测率曲线图。在进行电学和光学表征后,利用理论公式(8)计算出器件在不同温度下的比探测率。在器件施加负偏压500 mV和波长1.5 μm处对应的峰值响应度下,计算出器件在温度160 K时的比探测率为1.28×1010cmHz1/2W-1,在300 K时的比探测率为3.26×109cmHz1/2W-1,从图5中可以看到,随着温度的升高,器件的比探测率降低,表明工作性能在逐渐变差,这是因为由扩散、生成复合、碰撞电离和带间隧穿引起探测器产生的电流的过程,依赖于温度的变化,当温度升高时,载流子的俘获系数就会变大,导致载流子寿命减小,因此,产生的电流就会逐渐增大,导致器件的比探测率下降。

图5 器件在不同温度下的比探测率

(8)

其中,D*是比探测率；R0A是零偏置微分电阻面积；R为光响应度。

通过查阅最近相关报道文献[15-17]可知,器件在高温(160～300 K)工作条件下的比探测率集中分布在109～1011cm·Hz1/2·W-1之间。图6为不同结构的器件在300 K时的比探测率对比图,其中,器件3为本文计算出的比探测率值,器件1、2、4和5为报道的比探测率值。结果表明,器件3的比探测率值处于报道器件比探测率值的范围之间,且明显高于器件1和2,说明该In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As探测器可在高温下进行工作,具有良好的工作性能。

图6 与最近报道器件的比探测率比较图

4 结 论

本文利用半导体仿真工具Silvaco-TCAD软件对In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As红外探测器进行仿真,模拟计算了该器件在高温工作条件下的电流特性和光响应度的变化规律。详细讨论了器件在不同温度160～300 K范围内,随着温度的升高,器件的暗电流依次增大,光响应度呈现出先增大后减小的变化趋势,进一步计算了在高温工作条件下表征器件性能参数的大小。结果表明,器件的微分电阻面积RdA和比探测率D*随着温度的升高均呈下降趋势。此研究结果对未来制备具有高性能的短波红外探测器在高温工作条件下具有指导意义。