一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法

摘要

本发明公开了一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法，该方法是通过器件模拟得出光照吸收区时不同吸收层厚度下的光谱响应曲线，通过与实验测量的光谱响应数据进行对比，得到最大光谱响应值对应的吸收层厚度即为最佳吸收层厚度，进而为优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度提供了依据。本发明对于改善器件性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光探测器件技术，具体是指一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法。

背景技术

红外光电探测技术在20世纪90年代取得飞速发展，现在已经发展到大型焦平面列阵成像技术，高性能大规模焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中。锑化铟探测器在3～5μm波段响应，由于是本征吸收，量子效率高。20世纪90年代锑化铟红外焦平面列阵器件发展成熟，其发展以凝视型为主，在凝视军用系统中占据主导地位。凝视锑化铟红外焦平面按其用途形成了不同的技术特点：低背景战略和空间应用的锑化铟列阵特点为规模大、噪声低、工作温度低、帧频低；中、高背景战术应用的锑化铟列阵主要用于导弹制导和热成像，列阵特点为规模适度、电荷处理能力强、帧频高。锑化铟半导体材料除了可作光导、光电磁探测器件外，还可以做成p-n结光伏探测器，其在1～5μm波段是常用的高灵敏器件。

p-n结光伏探测器是使p-n结接受光照射而获取能量。当光照射到p-n结时，结及其附近的半导体吸收光能，价带电子受激跃迁至导带形成自由电子，而在价带则相应地形成自由空穴，这些少数载流子在p-n结内建电场作用下，电子移向n区，而空穴则移向p区，结果使半导体的p区带正电，n区带负电，这就是p-n结受光照射时产生光生伏特的原理，据此原理制成的红外探测器称为光伏型探测器。可见，光伏效应是一种少数载流子过程，少数载流子的寿命通常短于多数载流子，当少数载流子复合掉时，光生电压就消失了。由于这个原因，基于光伏效应的光伏探测器比用相同材料制成的光电导探测器响应更快。但是，其响应往往受到很多因素的制约，影响器件性能。

因此，优化器件结构以提高光响应显得尤为重要。本发明从焦平面列阵的光敏元即单个p-n结着手研究，考察基本结构对光响应的影响，得出的结果将会对大型器件的研制具有一定的指导意义。

发明内容

本发明提供了一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法，该方法通过模拟得到探测器件响应率随吸收层厚度变化的曲线，通过与实验数据对比得到了最佳吸收层厚度。其步骤如下：

1.构建二维p⁺-on-n型锑化铟光伏探测器件模型，p区掺杂浓度为10¹⁶cm^-3，n区掺杂浓度为9×10¹⁴cm^-3，并在整个器件外表面钝化一层SiO₂，同时p区和n区分别安装电极以测量输出电压信号；

2.根据步骤1中的结构参数制作8个不同n区厚度即不同吸收层厚度的锑化铟光伏型探测器件芯片的中波光电二极管样品，用作于实验测量样品，其吸收层厚度分别为6μm、8μm、10μm、12μm、14μm、18μm、25μm和30μm；

3.测量步骤2中所得样品的性能参数得到：禁带宽度为0.227eV，有效电子质量为0.014m₀，有效空穴质量m_hp＝0.43m₀、m_lp＝0.015m₀，其中m₀为自由电子质量，电子迁移率为10⁵～10⁶cm²/V·s，空穴迁移率为10³～10⁶cm²/V·s，本征载流子浓度n_i＝1.513×10¹⁰cm^-3，电子扩散系数D_n＝226.0cm²/s，空穴扩散系数D_p＝66.0cm²/s，电子载流子寿命约为10^-10s，空穴载流子寿命约为10^-6s，光学吸收系数为4150.0/cm，表面复合速率s₁＝s₂＝10¹²cm/s，相对介电常数为16.8；

4.构建物理模型：半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，光响应可由载流子产生率加入方程，表面复合也可加入方程，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解，模拟过程中所用的器件模型如步骤1中所述，所用的器件性能参数如步骤3中所述；

5.调节物理参数，使模拟环境温度为77K，外加入射光垂直照射到器件测量区域n区，即吸收层，光功率恒为0.0001W/cm^-2，固定吸收层厚度不变，改变入射光波长，由数值模拟得到响应率随入射光波长变化的曲线；

6.改变吸收层厚度，重复步骤5，得到一系列不同吸收层厚度下响应率随入射光波长变化的曲线；

7.选取步骤6中响应率曲线的峰值波长，即截止波长为5.5μm，作为入射光波长，改变吸收层厚度，由数值模拟得到响应率随吸收层厚度变化的曲线；

8.在实验过程中，同样选取截止波长5.5μm作为入射光波长，光功率恒为0.0001W/cm^-2，使入射光分别垂直照射到步骤2中所述的8个样品的测量区域，即吸收层，采用傅立叶光谱仪NEXUS 670测量样品在液氮温度下的响应光谱曲线，通过分别采集光路背景和含背景的器件响应，再经仪器自动扣除背景来完成光谱测量；

9.将步骤7中所得到的模拟数据与步骤8中所得到的实验数据进行对比，得到响应率峰值所对应的厚度即为最佳吸收层厚度。

本发明的优点是：可以确定光照下锑化铟光伏探测器的响应率随吸收层厚度的变化规律，从而为改善器件性能和优化器件设计提供有针对性的方案。

附图说明

图1为模拟的器件结构，掺杂的锑化铟p-n结。

图2为模拟的不同吸收层厚度下光响应率随入射光波长变化的曲线。

图3为光波长为5.5μm时，实验得到的锑化铟光伏型探测器件芯片的中波光电二极管样品在液氮温度下的响应率与数值模拟得到的响应率随吸收层厚度变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

本发明所模拟的器件为二维p⁺-on-n型锑化铟光伏探测器件，p区掺杂浓度为10¹⁶cm^-3，n区掺杂浓度为9×10¹⁴cm^-3，并在整个器件外表面钝化一层SiO₂，同时p区和n区分别安装电极以测量输出电压信号，见图1。

p-n结光伏探测器是使p-n结接受光照射而获取能量。当光照射到p-n结时，结及其附近的半导体吸收光能，价带电子受激跃迁至导带形成自由电子，而在价带则相应地形成自由空穴，这些少数载流子在p-n结内建电场作用下，电子移向n区，而空穴则移向p区，结果使半导体的p区带正电，n区带负电，使p-n结产生光生伏特，进而用来表征光响应。如图1所示，当光垂直入射到n区时，光子基本全部在n区被吸收，吸收层越厚，吸收的光越完全，产生的光生载流子越多，则光响应越强。但另一方面，光的吸收并不均匀，而是随前进的距离呈指数衰减，即光的吸收主要发生在刚开始的一段距离。吸收层越厚，导致主要吸收区离结区的距离增大，光生载流子在扩散过程中被复合的几率越大，则产生的光响应越小。可以说，器件的光响应随吸收层厚度的变化正是由上述两种机制相互竞争导致的。当吸收层厚度较薄时，前一种机制占主导，因此随吸收层厚度增加光响应增加；当吸收层厚度较大时，后一种机制占主导，因此随吸收层厚度增加光响应减小；这中间存在一最佳吸收层厚度。

图2表示的是一系列不同吸收层厚度下光响应率随入射光波长变化的曲线。从图中可以看出，入射光波长较短时，响应率随吸收层厚度增加单调减小。短波的吸收系数大，只在表面很浅的距离吸收，此时第二种机制占主导，因此响应率单调减小。当入射光波长超过截止波长5.5μm时，响应率随吸收层厚度增加单调增加。这是因为长波吸收系数很小，其吸收长度可比于吸收层厚度，此时第一种机制占主导，因此响应率随吸收层厚度增加单调增加。另外，响应率峰值对应的波长随吸收层厚度增加，有向长波偏移的倾向。这是因为长波的吸收系数相对较小，具有更强的穿透性，因此产生的光生载流子更接近结区。

图3表示的是实验样品在液氮温度下的响应率与数值模拟的响应率随吸收层厚度的变化曲线，其中实验样品是根据数值模拟模型的结构参数制作的8个不同吸收层厚度的锑化铟光伏型探测器件芯片的中波光电二极管样品，入射光选取截止波长5.5μm作为入射波长。从图中可以看出，在对应响应率的峰值附近，响应率随吸收层厚度的增加先增大再减小，最大值出现在吸收层厚度约为13μm处，模拟数据与实验数据均显示出这一特征。一方面，随吸收层厚度增大，光吸收增强，响应率增大；另一方面，厚度增加使靠近表面产生的光生载流子输运到结区的几率减小。因此，光响应率应是这两种效应相互竞争的表现，故得到最佳吸收层厚度。