pn结结深对台面型InSb光伏型探测器性能的影响.docx

1、pn结结深对台面型InSb光伏型探测器性能的影响pn结结深对台面型InSb光伏型探测器性能的影响 摘要： 基于Silvaco二维数值仿真研究了pn结结深对台面型InSb光伏型探测器串音和量子效率的影响， 通过分析探测器中横向电场分布、 纵向电场分布、 复合速率分布等与pn结结深的相关性， 揭示了pn结结深影响探测器的串音和量子效率的内在物理机制， 并获得了对探测器优化设计有指导意义的研究结论。 关键词： InSb光伏型探测器； pn结结深； 串音； 量子效率 中图分类号： TJ765.3+33； TN215 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2015）05-0036-05 Ab

2、stract： Based on Silvaco 2D numerical simulation， the effects of pn junction depth on the crosstalk and quantum efficiency of the mesa InSb photovoltaic detector are studied. The correlation between the longitudinal electric field distribution， the transverse electric field distribution， as well as

3、the recombination rate of detector and the pn junction depth are analyzed. The results show that the pn junction depth has a profound effect on the inherent physical mechanisms of the crosstalk and the quantum efficiency. And it is of great importance to the optimization of the mesa InSb photovoltai

4、c detector. Key words： InSb photovoltaic detector； pn junction depth； crosstalk； quantum efficiency 0引言 近年来， 随着光电子技术的迅速发展， 红外探测系统在军事领域和民用领域得到了广泛的应用和研究1。 作为红外探测系统的核心部件2-3， 红外探测器的研究越来越受到重视。 InSb（锑化铟）红外探测器在35 m波段响应4， 具有禁带窄、 灵敏度高、 光吸收能力强、 探测率高以及材料生长简单等优点1，5-6， 因此是目前世界上应用极其广泛的中波段红外探测器之一。 目前关于台面型InSb光伏型探测

5、器的研究主要集中在温度波动、 激光辐照等对探测器性能的影响1，7， 以及通过添加透镜8-9、 制作工艺10-11、 改变器件结构参数12等来对探测器性能进行研究。 pn结结深是InSb光伏型探测器制备过程中一个重要的工艺参数， 它对探测器量子转换效率等有着重要影响13-15， 然而， 当前关于pn结结深对台面型InSb光伏型探测器性能影响的研究并不深入， 还有很多机理问题有待进一步解决。 基于Silvaco二维数值仿真方法， 研究了pn结结深对台面型InSb光伏型探测器的串音和量子效率性能的影响， 通过剖析pn结结深对探测器中横向电场分布、 纵向电场分布、 复合速率分布等的影响和规律， 揭示p

6、n结结深影响探测器的串音和量子效率的内在物理机制。 1器件结构及物理模型 1.1器件结构 研究的InSb光伏型探测器为台面型结构， 器件共有三个像元， 二维结构图如图1所示。 图中yj为pn结结深位置； 仿真中台面高度h为5 m； 像元尺寸L为40 m； 像元间距d为20 m。 n型InSb， 缓冲层的掺杂浓度为11015 cm-3； 厚度t为10 m。 p型InSb， 缓冲层的掺杂浓度为11017 cm-3， 厚度可调， 通过改变p型InSb的厚度来调节pn结结深的位置。 模拟过程中， 入射光采用背入射方式且只照射中心像元， 即像元2， 入射光波长为5.5 m； 光功率为0.000 1 W/

7、cm2； 工作温度为77 K； 并采用温度为2 000 K的黑体辐射。 仿真模拟中采用的一些重要参数如表1所示。1.2物理模型 探测器的稳态数值模拟仿真基于大型商用模拟平台SilvacoAtlas展开。 光从n区一侧垂直入射， n区产生的光生载流子向材料内部进行扩散， 到达pn结界面， 由于空间电场的存在， 电子被pn结势垒阻挡， 大部分驻留在n区， 空穴则加速到p区。 基于上述物理现象， 在半导体光电作用的分析中， 需要求解载流子的输运方程， 包括泊松方程和电子、 空穴的连续方程1，8-9，12。 仿真中采用载流子的传输方程为漂移-扩散传输方程。 2数值模拟结果及分析 2.1数值模拟结果 量

8、子效率和串音随着pn结结深的变化如图2所示。 可见， 串音随着pn结结深的增加逐渐减小， 说明pn结越靠近光生载流子的产生区域， 串音越小； 而量子效率随着pn结结深的增加， 先增加后减小， 并在pn结结深为5 m处达到最大值。 量子效率和串音随着pn结结深的这种变化可以通过探测器内部电场和光生载流子的复合作用等来进行深入分析。 2.2结果分析 pn结结深为1 m， 5 m和9 m时InSb光伏型探测器中的纵向电场分布、 沿着中心像元中心位置处的纵向电场分布， 如图3所示。 图中， 三种情况下探测器中pn结处的电场峰值近似相等， 且随着pn结结深的增加， 纵向电场的峰值位置越接近光入射面附近的

9、nInSb， 即光生载流子的主要产生区域。 因此随着pn结结深的增加， pn结纵向电场对光生载流子的抽取作用就越强， 导致绝大部分光生载流子会被中心像元收集， 而被其他像元收集的光生载流子数量会显著减少， 有利于中心像元收集光生载流子， 从而会减小探测器的串音。 图4中， 横向电场的正负仅代表电场的方向， 电场都是由n区指向p区， 正值电场方向是从左指向右。 由图可见， 沿着中心像元中心处的横向电场均非常小， 且随pn结结深的增加有略微的增加， 说明沿着中心像元中心处的横向电场对光生载流子的影响很小。 结合图34中的结果可知， 光生载流子在入射面附近的n型InSb中产生后， 首先在浓度梯度的作

10、用下进行扩散运动， 扩散到pn结空间电荷区时， 主要被pn结纵向电场抽取， 横向电场对其影响很小。 由图4还可以看到， 当pn结结深大于5 m时， p区和n区的接触面由原先的1个变成了3个， 即除了顶部的接触面外， 还形成了两个侧面的接触面， 且侧面接触面处的横向电场远大于顶部。 但由于pn结空间电荷区中纵向电场远大于横向电场， 因此扩散至pn结顶部附近的光生载流子主要受纵向电场的作用沿着纵向漂移。 少量扩散至中心像元pn结侧面附近的载流子， 在较强的横向电场下会被收集， 这在一定程度上可减小串音。 所以pn结结深为9 m时探测器的串音明显小于pn结结深为1 m和5 m的情况。 pn结结深为1

11、 m， 5 m和9 m时InSb光伏型探测器中的复合速率分布、 沿中心像元中心位置处的复合速率分布， 如图5所示。 由图可知， 最小复合率均位于pn结附近， pn结结深为1 m的探测器， 在光生载流子产生区域中的复合率高于其他两种探测器， 而随着pn结结深的增加， 光生载流子主要产生区域中的复合率逐渐减小， 而p区内的复合率有显著增加， 且高复合率区宽度不断增加。 复合率的增加会在一定程度上减少光生载流子的数量， 进而会减小探测器的量子效率。 综合图35分析， 在pn结结深为1 m的探测器中， 由于pn结远离光生载流子的主要产生区域， 光生载流子的主要产生区域中的复合率很高， 导致光生载流子在

12、向p区扩散过程中会因复合的湮灭， 从而量子效率较低， 且由于横向扩散作用， 会导致有大量光生载流子扩散至临近像元， 并会被临近像元pn结在纵向电场抽取， 这就增加了探测器的串音。 当pn结结深增加到5 m时， pn结接近光生载流子的主要产生区域， 光生载流子扩散到pn结空间电荷区的距离有一定减小， 且由于光生载流子的主要产生区域中的复合率有所降低， 会有更多的载流子扩散至pn结而被纵向电场抽取， 而扩散至临近像元， 被临近像元所收集的载流子数量有一定减少， 因此探测器串音显著减小。 虽然相比pn结结深为1 m的探测器， 在p区内的复合率有一个数量级的增加， 但由于被纵向电场所抽取的载流子的增量

13、大于由于复合而消耗的载流子的减量， 所以pn结结深为5 m的探测器的量子效率有所增加。 当pn结结深进一步增加到9 m时， pn结更接近光生载流子的主要产生区域， 光生载流子产生后， 更容易被pn结纵向电场抽取， 且由于扩散至中心像元pn结侧面附近的载流子会被强横向电场抽取， 导致扩散至临近像元的载流子数量进一步减小， 因此串音得到更进一步的抑制。 然而， 被抽取至中心像元p区内的载流子要输运至阳极， 需经历一个较长的路径， 且载流子在这个过程中的运动主要以扩散主导， 由图5所示的复合率结果可知， 被抽取至p区内的载流子会经历一个高复合率区， 且该高复合率区的范围很大， 因此载流子会因复合而有

14、明显减少， 造成阳极电流减小， 探测器量子效率降低。 pn结结深为1 m， 5 m和9 m时InSb光伏型探测器在y=0.5 m处中心像元沿横向的纵向总电流分布， 如图6所示。 3种探测器中， 像元两侧均会形成一个电流峰值， 且该峰值随着pn结结深增加先增大后减小， 而像元中心处电流随着pn结结深增加逐渐减小。 此外， 图中每条曲线下的面积可以反映从中心像元阳极可以输出的电流大小， 通过积分可以得到pn结结深为1 m， 5 m和9 m时InSb光伏型探测器的中心像元阳极输出电流分别为1.4910-10 A， 1.5110-10 A， 1.4710-10 A， 这验证了上述关于pn结结深对探测器

15、的量子效率影响的分析。 3结论 采用器件数值仿真方法， 研究了pn结结深对台面型InSb光伏型探测器的串音和量子效率的影响。 结果表明， 随着pn结结深增加， 串音逐渐减小， 而量子效率先增大后减小， 并在pn结结深为5 m处达到最大值。 这主要是因为， 随着pn结结深增加， 中心像元的纵向电场峰逐渐靠近光生载流子的主要产生区域， 对载流子的抽取能力增强， 且光生载流子主要产生区域中复合作用减弱， 导致大量光生载流子被中心像元收集， 被临近像元收集的越来很少， 因此串音持续减小。 pn结结深小于台面高度5 m时， 横向电场几乎没有影响， 纵向电场占据主导地位， 随着pn结结深增加， 纵向电场峰

16、逐渐靠近光生载流子的主要产生区域， 对载流子抽取能力增强， 量子效率增大； 而当pn结结深大于5 m时， 中心像元 p区内的复合作用明显增强， 复合掉部分光生载流子， 导致量子效率降低。 综上所述， 探测器优化设计中， 要得到更低的串音， 可通过增加pn结结深来实现， 而要得到更高的量子效率， 则要求pn结结深最大值不能超过台面高度。 参考文献： 1 孙静， 杜立峰， 孙蓉竹. 温度波动对PV型InSb探测器响应特性的影响J. 半导体光电， 2012， 33（4）： 478-482. 2 Meng Chao， Peng Jing， Ma Wei. Study on Reliability En

17、hancement Testing for InSb Focal Plane Array DetectorCInternational Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011： Advances in Infrared Imaging and Applications， 2011. 3 袁继俊. 红外探测器发展述评J. 激光与红外， 2006， 36（12）： 1009-1102. 4 陈伯良. 红外焦平面成像器件发展现状J. 红外与激光工程， 2005， 34（1）： 1-7. 5 Zhang Xiaolei， Zhan

18、g Hongfei， Sun Weiguo， et al. Numerical Analysis of InSb Parameters and InSb 2D Infrared Focal Plane ArraysC6th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies： Optoelectronic Materials and Devices for Sensing， Imaging， and Solar Energy， 2012. 6 Gau Tangyan， Dai Li

19、kuo， Yang Shueping， et al. 256 x 256 InSb Focal Plane ArraysCOptoelectronic Materials and Devices II， 2000. 7 强希文， 刘峰. 连续波激光辐照半导体InSb材料的熔融破坏J. 中国激光， 2000， 27（4）： 372-376. 8 Bai Jie， Hu Weida， Guo Nan， et al. Performance Optimization of InSb Infrared FocalPlane Arrays with Diffractive MicrolensesJ. J

20、ournal of Electronic Materials. 2014， 43（8）： 2795-2801. 9 Guo Nan， Hu Weida， Chen Xiaoshuang， et al. Investigation of Radiation Collection by InSb Infrared FocalPlane Arrays with MicroOptic StructuresJ. Journal of Electronic Materials， 2013， 42（11）： 3181-3185. 10 傅秋月， 王海珍， 郑克霖. InSb焦平面探测器背面钝化的研究J. 航

21、空兵器， 2009（4）： 42-44. 11 刘炜， 彭震宇， 鲁正雄， 等. 光照对阳极化InSb探测器性能影响的研究J. 航空兵器， 2008（5）： 62-64. 12 Hu Weida， Chen Xiaoshuang， Ye Zhenhua， et al. Effects of Absorption Layer Characteristic on Spectral Photoresponse of MidWavelength InSb PhotodiodesJ. Optical and Quantum Electronics， 2011， 42： 801-808. 13 吴云天.

22、测量InSb器件PN结深度的有效方法J. 陕西科技大学学报， 2003， 21（3）： 63-65. 14 高启安. 特种半导体器件M. 北京： 国防工业出版社， 1996. 15 周冠山. 锑化铟探测器扩散结深的探讨J. 航空兵器， 1991（2）： 16-18. 16 Hu Weida， Chen Xiaoshuang， Ye Zhenhua， et al. Dependence of IonImplantInduced LBIC Novel Characterisitic on Excitation Intensity for LongWavelength HgCdTeBased Photovoltaic Infrared Detector Pixel ArraysJ. IEEE Journal of selected topics in quantum electronics 19， 2013.