CN103681937B - 基于光子晶体限光效应的焦平面探测器结构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光子晶体限光效应的焦平面探测器结构的设计方法。在器件模拟中发现，在典型的n+-on-p平面结上进行刻蚀，形成周期性光子晶体，从而将占空比降低到0.4时，器件的量子效率能保持不变，而随着有效体积的减小，暗电流会下降70%。本发明的优点在于，该种利用光子晶体人工微结构的限光效应提高光吸收效率并降低暗电流的HgCdTe中长波红外焦平面探测器结构，在维持原有的光响应特性不变的情况下，由于暗电流的降低，而提高了器件的整体性能，同时这种周期性结构与焦平面阵列相兼容，显著降低红外焦平面探测器的读出电路的制作难度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体红外光探测器件性能的设计和测量，具体是指一种在HgCdTe中、长波红外焦平面探测器的设计制作中利用光子晶体这类人工微结构的限光效应提高光吸收效率并降低暗电流的方法。
背景技术
碲镉汞(HgCdTe)作为一种窄禁带半导体，通过调节其Cd组分值x可以连续改变禁带宽度(-0.3～1.6eV)，这样调整得到的材料响应波长很好地适应了红外技术需求的几个大气窗口（短波1～3μm、中波3～5μm和长波8～14μm）。基于HgCdTe材料的光电探测器在军事侦察和航天遥感等领域具有重要的国家战略需求和应用价值，对器件性能要求也很高。人们在传统的光伏型器件的基础上提出了许多改进，例如利用超材料、nBn结构、HDVIP结构等方法，提高探测能力。但是这些都不足以从根本上改善器件的暗电流特性。
HgCdTe光电探测器的性能受暗电流机制影响很大，比如衡量探测器性能的重要指标——零偏压动态电阻面积乘积(R0A)直接由暗电流决定。而暗电流又对于制造工艺和材料性质很敏感，因此研究暗电流特性，分析其构成机制及与对应材料参数的关系，是器件研制过程和性能改进中必不可少的一个环节。相比短波器件，中、长波HgCdTe探测器材料的禁带宽度要更小，器件漏电流成份将显著增加、漏电物理机制会更加复杂，对器件制备工艺提出了更高的要求。
为了解决上述的问题，本发明利用光子晶体这类人工微结构的陷光原理，提出了一种在制作中引入周期性的台柱或者孔洞形成光子晶体结构，在保证红外探测器量子效率的基础上降低器件的填充比，从而通过减少探测器光敏元材料体积的方式，解决困扰HgCdTe红外探测器的暗电流噪声过大的问题，提高器件的噪声等效温差。
这样，通过对引入光子晶体结构调控的新型器件结构HgCdTe焦平面红外探测器进行数值模拟和分析以得到合适的工艺方案和最佳的工艺参数，其结果将为揭示工艺环节与特征参数的关联性、获得人工光子微结构形状和尺寸影响暗电流的内在物理机制以及提高第三代HgCdTe焦平面红外探测器性能提供理论和技术支持。
发明内容
本发明提供了一种利用光子晶体结构提高HgCdTe中长波红外探测器性能的设计方法，该方法通过模拟得到该种新型结构的探测器件量子效率和暗电流随各种结构关键参数变化的曲线，从而得到了为设计提供依据的最佳参数值。其设计方法步骤如下：
1.构建二维n+-on-p型HgCdTe光伏探测器件，n区收集层（2）掺杂浓度为1×1017cm-3，p区吸收层（3）掺杂浓度为9×1015cm-3，衬底材料（4）为Si，同时n区和p区分别安装电极（1）、（5）以测量输出电压信号；
2.构建物理模型：本数值模拟中利用了时域有限差分进行光学模拟和有限元数值方法进行电学模拟。光学模拟的基本方程是麦克斯韦方程组，得到的光场分布通过与材料电导率相关的理论方程可计算转换为载流子产生率分布。电学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，之前得到的载流子产生率作为光响应加入方程。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；
3.调节物理参数，在中波4μm左右时为200K，长波8μm左右时为77K的固定模拟环境温度下，外加入射光垂直背入射，经过衬底到达结区，激发产生光电流信号。光功率恒为0.001W/cm-2，在单一波长下，改变各材料层的厚度，其中主要是改变p区吸收层厚度，n区厚度在HgCdTe不变时可以不做改变，对应4μm波长的器件时固定为1.75μm，对应8μm波长的器件时固定为3μm，得到响应率最高时的最佳厚度。
4.改变各单元柱状结构的宽度，由数值模拟得到器件量子效率随填充比改变范围在0.15～0.85之间变化的曲线；
5.在无光条件下，得到对应4中的暗电流随填充比变化的曲线；
6.改变整个结构的单元周期宽度a，重复步骤4）、5），得到周期宽度a在5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm和12μm时的量子效率和暗电流随填充比波长变化的曲线。通过曲线分析，可获得最佳的单元周期参数；
7.改变入射光波长，重复3）～6）的步骤，通过研究发现最佳周期a是对于波长的变化是比较敏感的。这样一来，可以计算得到中长波HgCdTe探测器在采用这种光子晶体结构时，不同周期下的量子效率和暗电流随占空比变化的曲线，从而获取此种光子晶体结构的中波及长波器件设计中的关键几何参数。
8.制备中波器件。先采用MBE技术，在硅衬底上生长Cd组分为x=0.275的p型Hg1-xCdxTe材料，其中砷掺杂或者汞空位掺杂的浓度为为9×1015cm-3，对应入射波长为4μm时的厚度为7μm。另外再经过B+注入形成n区。接着利用低温干法刻蚀，对应前述微结构尺寸和深度要求，得到单元柱状结构周期分别为5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm和12μm材料。之后长ZnS和CdTe双层钝化膜、镀金属电极和制备铟柱。从而获得基于光子晶体微结构的n+-on-p型HgCdTe红外焦平面探测器样品。
9.选取截止波长4μm作为入射光波长，光功率恒为0.001W/cm-2，使入射光分别垂直照射到步骤8中所述不同组样品的测量区域，即吸收层，采用傅立叶光谱仪NEXUS670测量样品在200K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；
10.步骤9中所得到的实验数据与步骤3～7中所得到的模拟数据进行对比，可获取最佳设计尺寸参数。
这样一来，可以计算指定光照下该种光子晶体结构的HgCdTe探测器的量子效率和暗电流随几何结构参数的变化规律，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，通过周期性柱形单元形成光子晶体结构的n+-on-p型的HgCdTe红外焦平面探测器。图中1为收集层单元电极，2为n型HgCdTe收集层，3为p型HgCdTe吸收层，4为硅衬底，5为吸收层公共电极
图2为不同周期a下量子效率随填充比变化的曲线。
图3为不同周期a下暗电流随填充比变化的曲线。
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：
本发明所研究的器件为二维n+-on-p型HgCdTe光伏探测器件，n区掺杂浓度为1×1017cm-3，p区掺杂浓度为9×1015cm-3，衬底材料为Si，同时p区安装公共电极、n区按单元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。当红外光照射到p-n结时，结及其附近的p型半导层体吸收光能，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，进而形成红外探测器的光响应。
同时，在探测器器件表面使用台柱或者孔洞形成周期性结构，当光从下表面垂直入射时，光子在周期结构中经历多重散射，形成光子晶体能带；该能带上对应的每个频率都是能够把低能量的长波光子局域在高折射率的介质中的光子晶体本征共振模，于是实现了等效于入射光在介质结构内的全反射来局域光子，从而在维持量子效率不变的同时减少器件的体积，降低暗电流。
通过研究该器件的光场分布可以发现这种人工微结构的陷光效应。从光场分布图可以看出，当填充比较小时，光很大一部分都漏到了结区以外而没有被探测器有效吸收；当填充比较达到0.45附近时，光被有效地局限在了有材料填充的区域而没有被浪费。
图2表示的是不同周期a下量子效率和暗电流随填充比变化的曲线。对于图示情况，入射波长为4μm的中波，在结构单元周期为a=5～7μm时得到了匹配，从而正是由于图2所示现象，才使得量子效率随填充比下降时先维持一个较高的稳定值。待填充比降到0.45左右时，才开始下降，并且a=5μm时能保持一个较宽的量子效率稳定范围。再由图3的对应暗电流变化情况可以看出，在量子效率保持稳定范围的内，暗电流是随着填充比降低几乎线性下降的。对于响应光波长为8μm的长波同类光子晶体结构器件，计算也得到了类似结果。这说明此类利用了光子晶体结构的限光效应的HgCdTe红外探测器确实能实现改善中波、长波红外焦平面探测器的性能的目的。
Claims (1)
1.一种基于光子晶体限光效应的红外焦平面探测器结构的设计方法，其特征在于包括如下步骤：
1)使用模拟软件构建二维n+-on-p型HgCdTe光伏探测器件，n区收集层(2)掺杂浓度为1×1017cm-3，p区吸收层(3)掺杂浓度为9×1015cm-3，衬底材料(4)为Si，同时n区和p区分别安装电极(1)、(5)以测量输出电压信号；
2)构建物理模型：本数值模拟中利用了时域有限差分进行光学模拟和有限元数值方法进行电学模拟，光学模拟的基本方程是麦克斯韦方程组，得到的光场分布通过与材料电导率相关的理论方程可计算转换为光生载流子产生率分布；电学模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电流密度方程，再结合之前得到的光生载流子产生率作为光响应产生复合项加入到连续性方程中；表面复合也可以加入方程，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；
3)调节物理参数，固定模拟环境温度，外加入射光垂直背入射，经过衬底到达结区，激发产生光电流信号，在单一波长固定功率的入射光条件下，改变各材料层的厚度，首选改变p区吸收层厚度，得到响应率最高时的最佳厚度；
4)在步骤3)的基础上，改变各单元柱状结构的宽度，由模拟得到器件量子效率随填充比变化的曲线；
5)在无光条件下，得到对应3)中的暗电流随填充比变化的曲线；
6)改变整个结构的周期宽度，重复步骤4)、5)，得到一系列不同周期下量子效率和暗电流随填充比波长变化的曲线，从而获得最佳的单元周期参数；
7)改变入射光波长，重复3)～6)的步骤，能研究波长和最佳周期的关系，对于从中波器件变为长波器件的情形，需同时调整p区吸收层和n区收集层的厚度，得到HgCdTe红外探测器在设定入射波长下的各层最佳厚度；
8)制备中波器件样品，先采用MBE技术，在硅衬底上生长Cd组分为x＝0.275的p型Hg1-xCdxTe材料，其中砷掺杂或者汞空位掺杂的浓度为9×1015cm-3，对应入射波长为4μm时的厚度为7μm；另外再经过B+注入形成n区，接着利用低温干法刻蚀，得到不同单元柱状结构周期的材料，之后长ZnS和CdTe双层钝化膜、镀金属电极和制备铟柱，从而获得基于光子晶体微结构的n+-on-p型HgCdTe红外焦平面探测器样品；
9)选取截止波长4μm作为入射光波长，光功率恒为0.001W/cm-2，使入射光分别垂直照射到步骤8中所述不同组样品的测量区域，即吸收层，获得测量样品在200K温度下的响应光谱曲线；
10)步骤9)中所得到的实验数据与步骤3)～7)中所得到的模拟数据进行对比，获取提高器件性能的最佳设计参数。
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| US5581084A (en) * | 1995-06-07 | 1996-12-03 | Santa Barbara Research Center | Simultaneous two color IR detector having common middle layer metallic contact |
| CN1617357A (zh) * | 2004-10-26 | 2005-05-18 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 碲镉汞红外双色焦平面探测器列阵芯片 |
| CN102386268A (zh) * | 2010-08-30 | 2012-03-21 | 中国科学院微电子研究所 | 红外焦平面阵列器件及其制作方法 |
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| CN103681937A (zh) | 2014-03-26 |
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