馬 啟，鄧功榮，蘇玉輝，余連杰，信思樹(shù)，龔曉霞，陳愛(ài)萍，趙 鵬

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臺(tái)面PN結(jié)InSb紅外探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間研究

馬 啟，鄧功榮，蘇玉輝，余連杰，信思樹(shù)，龔曉霞，陳愛(ài)萍，趙 鵬

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

分析了光伏InSb探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間與量子效率、反向飽和電流的關(guān)系，設(shè)計(jì)出量子效率為0.61～0.56、響應(yīng)時(shí)間為20～60ps的銻化銦（InSb）紅外探測(cè)器，實(shí)驗(yàn)制備了臺(tái)面p＋-on-n結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。通過(guò)-、-測(cè)試驗(yàn)證了制備的器件物理參數(shù)與設(shè)計(jì)值吻合。采用脈沖響應(yīng)測(cè)試了InSb探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間（0.3ms），由于封裝和其他分布電容的限制，響應(yīng)時(shí)間測(cè)試值與理論計(jì)算值存在差距。

紅外探測(cè)器；銻化銦（InSb）；響應(yīng)時(shí)間；量子效率；臺(tái)面PN結(jié)

0 引言

光子型紅外探測(cè)器是利用紅外輻射光子在半導(dǎo)體材料中激發(fā)非平衡載流子，引起電學(xué)性能變化，屬于內(nèi)光電效應(yīng)。由于內(nèi)部電子直接吸收紅外輻射，不需要加熱物體的中間過(guò)程，因而光子探測(cè)器響應(yīng)速度快[1-3]。InSb是Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半導(dǎo)體材料，是本征吸收的窄禁帶半導(dǎo)體，因此，決定紅外探測(cè)器優(yōu)質(zhì)因子的量子效率較高；具有很高的電子遷移率（比硅高2個(gè)數(shù)量級(jí)）[4-6]。理論上，InSb光伏探測(cè)器非常適合于中波紅外的快速探測(cè)。

InSb光伏探測(cè)器，國(guó)際上普遍采用傳統(tǒng)的單晶體材料制備。本文根據(jù)探測(cè)器響應(yīng)的機(jī)理，設(shè)計(jì)并制備了臺(tái)面PN結(jié)快響應(yīng)InSb光伏探測(cè)器。通過(guò)器件-、-曲線和脈沖響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試，分析影響探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的因素，并提出減小探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的方法。

1 PN結(jié)光敏器件響應(yīng)時(shí)間機(jī)理分析

PN結(jié)光電探測(cè)器對(duì)輻射信號(hào)的響應(yīng)主要由芯片的響應(yīng)時(shí)間和前放電路的響應(yīng)時(shí)間決定。其中芯片的響應(yīng)時(shí)間包括：①電中性區(qū)光生載流子擴(kuò)散到耗盡區(qū)所需的時(shí)間；②光生載流子漂移通過(guò)耗盡區(qū)所需要的時(shí)間；③電時(shí)間常數(shù)，它與結(jié)電容及包括外電路阻抗在內(nèi)的電阻有關(guān)。

1.1 p區(qū)少子擴(kuò)散時(shí)間

假設(shè)光從p區(qū)入射，光生載流子在p區(qū)的擴(kuò)散時(shí)間為[7]：

式中：p為p區(qū)厚度；n為電子擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 n區(qū)少子擴(kuò)散時(shí)間

探測(cè)器的基區(qū)同樣存在輻射信號(hào)的吸收，n區(qū)光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間為[7]：

式中：p為空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度；p為空穴壽命。

1.3 耗盡區(qū)漂移時(shí)間

飽和速度為d的載流子通過(guò)寬度為耗盡區(qū)的渡越時(shí)間r為[8]：

r＝/d(3)

式中：A、D為p區(qū)和n區(qū)的摻雜濃度；s為材料的相對(duì)介電常數(shù)；i為本征載流子濃度；0＝AD/(A＋D)為有效摻雜濃度。

1.4 電時(shí)間常數(shù)RC

結(jié)電容（D）主要是耗盡區(qū)電容（j）和焊盤(pán)電容（ox），有影響的電阻主要是串聯(lián)電阻（s）和外電路的負(fù)載電阻（L），這時(shí)響應(yīng)時(shí)間為[9]：

D＝(L＋s)(j＋ox) (4)

式中：0是真空介電常數(shù)；j是結(jié)面積；BP是焊盤(pán)面積。

2 InSb探測(cè)器設(shè)計(jì)及制備

2.1 InSb探測(cè)器設(shè)計(jì)

PN結(jié)器件有臺(tái)面和平面兩種，本論文采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)。為獲得高性能、快響應(yīng)的探測(cè)器，除了響應(yīng)時(shí)間要短，還需要綜合考慮量子效率和暗電流因素：

1）量子效率與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系

PN結(jié)光電器件響應(yīng)時(shí)間主要受擴(kuò)散時(shí)間、漂移時(shí)間和時(shí)間常數(shù)的限制。器件的量子效率受響應(yīng)速度的限制，根據(jù)PN突變結(jié)光電二極管的量子效率[11]計(jì)算量子效率與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖1、圖2、圖3所示：

式中：1＝e/e＝/(e/e)、2＝p/p＝/(p/p)；e為電子擴(kuò)散長(zhǎng)度；e為電子壽命。結(jié)合公式(1)、(2)并忽略表面反射，理論計(jì)算出量子效率與受擴(kuò)散限制的響應(yīng)時(shí)間關(guān)系。從圖1、圖2、圖3中可以得到，PN結(jié)InSb能夠滿(mǎn)足快響應(yīng)和高量子效率紅外探測(cè)器的要求。

圖1 基區(qū)量子效率與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系

圖2 p區(qū)量子效率與擴(kuò)散時(shí)間關(guān)系

公式(3)表明漂移時(shí)間正比于耗盡層的寬度，而時(shí)間常數(shù)與耗盡區(qū)寬度成反比。因此在時(shí)間常數(shù)和耗盡區(qū)量子效率有關(guān)的渡越時(shí)間之間存在著一種權(quán)衡，對(duì)材料的摻雜濃度必須進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 量子效率和RC的關(guān)系

2）反向電流為[10]：

式中：p為空穴的擴(kuò)散系數(shù)；為產(chǎn)生壽命。

器件反向飽和電流密度與D成反比，所以基區(qū)摻雜濃度不能太低，此外PN器件的0的大小與少子壽命和n區(qū)摻雜濃度的乘積成正比。另外，需要將表面漏電流降至最小，使得體內(nèi)暗電流成為器件的主要暗電流成分。

3）InSb探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論計(jì)算結(jié)果

通過(guò)響應(yīng)時(shí)間和量子效率的理論計(jì)算可以明確，探測(cè)器在響應(yīng)時(shí)間和量子效率之間必須折中；p區(qū)摻雜濃度對(duì)器件響應(yīng)時(shí)間的影響很小，p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－3時(shí)器件0最佳[12]。另外，還需要考慮襯底濃度對(duì)器件歐姆接觸和串聯(lián)電阻的影響。

表1是不同摻雜濃度和p區(qū)厚度時(shí)各部分的響應(yīng)時(shí)間和器件總響應(yīng)時(shí)間的設(shè)計(jì)及結(jié)果。計(jì)算器件響應(yīng)時(shí)間選用的參數(shù)為，n區(qū)摻雜濃度D＝1×1011～1×1015cm－3、基底厚度約為500mm、p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－2、p區(qū)厚度0.1～3.2mm、采用截止波長(zhǎng)的吸收系數(shù)3500cm－3、反射系數(shù)＝0.3、負(fù)載電阻L＝50W。

理論計(jì)算時(shí)間常數(shù)時(shí)未考慮ox，實(shí)際中因取值不同，量子效率的大小存在一定的差異，p區(qū)厚度設(shè)計(jì)也會(huì)有所不同。由表1中的數(shù)據(jù)得到：①當(dāng)p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－3，厚度0.8mm時(shí)，制約InSb器件響應(yīng)時(shí)間的主要因素是n區(qū)載流子擴(kuò)散時(shí)間，為了提高器件的響應(yīng)時(shí)間，通過(guò)增加p區(qū)的厚度使p區(qū)量子效率增加、n區(qū)量子效率減小，使n區(qū)的光響應(yīng)信號(hào)可忽略；②器件p區(qū)厚度為2.6～3.2mm時(shí)，器件響應(yīng)時(shí)間減小、量子效率略小。

分析上述的研究結(jié)果，對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，器件最終設(shè)計(jì)為臺(tái)面PN結(jié)構(gòu)，p區(qū)摻雜濃度A＝1×1016cm－3，厚度為2.6～3.2mm；n區(qū)摻雜濃度D＝1×1013～1×1014cm－3，厚度為500mm。所設(shè)計(jì)的探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間為20～60ps，反向電流密度與常規(guī)器件相比變化不大。

2.2 器件制備

對(duì)器件延伸電極和金屬引線的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減小分布電容的影響，器件采用摻碲n型單晶InSb體材料，經(jīng)表面處理后，Be離子注入摻雜形成p-n結(jié)并退火和去除損傷層。光敏面為p-on-n臺(tái)面結(jié)構(gòu)，通過(guò)光刻技術(shù)和濕法腐蝕工藝獲得不同的光敏面（直徑為200mm、1350mm和140mm×60mm）。采用PECVD制備SiO2鈍化層和磁控濺射制備Cr/Au金屬膜，抑制器件表面漏電和獲得極小的串聯(lián)電阻，保證器件性能的穩(wěn)定性，器件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 不同摻雜濃度和p區(qū)厚度時(shí)各部分的響應(yīng)時(shí)間和器件總的響應(yīng)時(shí)間

圖4 InSb光伏器件結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

將制備好的芯片液氮制冷到77K溫度下，分別采用Keithley 2400數(shù)字源表和KEYSIGHT B1500A半導(dǎo)體測(cè)試分析儀對(duì)器件進(jìn)行-、-特性測(cè)試和脈沖響應(yīng)時(shí)間測(cè)試。

1）器件-測(cè)試

圖5是不同光敏元尺寸（直徑為200mm、1350mm和140mm×60mm）的芯片在77K溫度下的電流-電壓特性曲線。從測(cè)試結(jié)果可以得到3種樣品的0均超過(guò)103Wcm2，并無(wú)明顯差異，說(shuō)明這3種器件設(shè)計(jì)方法是合理的。

圖5 液氮溫度下不同光敏元的I-V曲線

PN結(jié)-曲線表明所制備的芯片具有較好的結(jié)特性，能滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。n區(qū)載流子濃度可以控制在較低的水平（1×1013～1×1014cm－3），抑制了器件的產(chǎn)生-復(fù)合電流，使得探測(cè)器的暗電流較小。

2）器件-測(cè)試

測(cè)試了芯片1MHz頻率下的-曲線，綜合考慮引線和測(cè)試系統(tǒng)帶來(lái)的分布電容，得到圖6。從圖中可以得到，零偏壓下芯片的電容約為19.5pF。通過(guò)公式(5)計(jì)算得到的電容為5 pF，小于實(shí)際測(cè)量值。原因是當(dāng)器件結(jié)面積很小時(shí)ox是不能忽略的。另外，從測(cè)試結(jié)果擬合得到基區(qū)載流子濃度1.4×1013cm－3，與設(shè)計(jì)的摻雜濃度范圍吻合。

圖6 InSb器件電容-電壓曲線

依據(jù)公式(4)結(jié)合實(shí)際的工藝參數(shù)計(jì)算出了ox約為14.5pF。將計(jì)算得到的電容和ox相加，得到總的電容值接近于19.5pF。從測(cè)試和計(jì)算結(jié)果得到ox對(duì)器件總的電容有很大影響。為得到小的響應(yīng)時(shí)間，需通過(guò)器件設(shè)計(jì)減小ox。

表2中，隨著器件的光敏面積和電學(xué)面積比值越大，器件的歸一化電容越小，當(dāng)光敏面面積與電學(xué)面積之比大于80%時(shí)，可以獲得較小的結(jié)電容，將利于提高器件的響應(yīng)時(shí)間。但當(dāng)光敏面積逐漸接近結(jié)面積時(shí)，器件的串聯(lián)電阻將會(huì)增大。

表2 歸一化電容和面積的關(guān)系

將同一芯片封裝于普通杜瓦、高頻杜瓦中，液氮制冷到77K，測(cè)試了不同封裝下的-曲線（圖7）?？梢?jiàn)，封裝和引線存在不小的分布電容，為使封裝后的探測(cè)器電容與芯片電容接近，需要對(duì)器件封裝和引線方式進(jìn)行深入研究和改進(jìn)。

3）脈沖響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

將芯片封裝到寶石窗口的金屬杜瓦中，液氮制冷后，采用帶寬為100MHz的電路作為探測(cè)器的前放電路，用中波紅外光源測(cè)試器件的響應(yīng)時(shí)間，輸出信號(hào)采用示波器讀?。ú捎檬静ㄆ鞴鈽?biāo)讀取輸出信號(hào)的幅值，依據(jù)響應(yīng)時(shí)間的定義，提取數(shù)據(jù)繪出響應(yīng)時(shí)間圖）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示，普通探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間為0.8ms，快響應(yīng)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間為0.3ms，與理論計(jì)算的響應(yīng)時(shí)間20～60ps存在不小差距，主要原因是：①整個(gè)封裝的管殼、杜瓦、引線的分布電容都會(huì)使器件總的電容增大，導(dǎo)致器件的時(shí)間常數(shù)增大；②前放電路帶寬制約了器件的響應(yīng)時(shí)間，電路3dB截止頻率應(yīng)大于器件的截止頻率，電路輸入阻抗還需要與探測(cè)器匹配。

圖7 不同封裝形式的電容

圖8 普通探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間

圖9 快響應(yīng)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間

3.2 討論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，可從以下方面進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：

1）通過(guò)合理的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減小焊盤(pán)電容、接觸區(qū)的電容對(duì)整個(gè)器件電容影響；

2）應(yīng)采用截止頻率更高的前放電路，以驗(yàn)證快響應(yīng)器件的響應(yīng)時(shí)間；

3）制備的器件p區(qū)厚度依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，需要采用直接表征方法以驗(yàn)證實(shí)際值與設(shè)計(jì)值的差距。

另外，增大表面復(fù)合速度，響應(yīng)時(shí)間會(huì)變短，但以犧牲光電性能為代價(jià)；器件工作在適當(dāng)?shù)姆聪蚱珘合?，器件結(jié)電容減小，也可以提高器件的響應(yīng)速度。為保證測(cè)試的響應(yīng)時(shí)間盡可能接近真實(shí)值，需要設(shè)計(jì)新的封裝結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)光伏探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間理論，理論計(jì)算了響應(yīng)時(shí)間與暗電流、量子效率的關(guān)系，設(shè)計(jì)出響應(yīng)時(shí)間為20～60ps、量子效率為0.61～0.56的InSb紅外探測(cè)器，實(shí)驗(yàn)制備了臺(tái)面p＋-n結(jié)構(gòu)的探測(cè)器。通過(guò)器件-、-曲線的測(cè)試，驗(yàn)證了最終制備的器件參數(shù)與設(shè)計(jì)值吻合。采用脈沖響應(yīng)法測(cè)試了常規(guī)器件和快速響應(yīng)器件的響應(yīng)時(shí)間分別為0.8ms和0.3ms，但與理論計(jì)算值存在不小差距，主要原因是器件的焊盤(pán)電容和接觸區(qū)的電容對(duì)整個(gè)器件電容影響較大，下一步將繼續(xù)對(duì)其深入研究，盡可能減小兩者對(duì)器件快速響應(yīng)的影響。

[1] Peyton B J, Dinardo A J, Kanischak G M, et al. High- sensitivity receiver for infrared laser communications[J]., 1972, 8(2): 252-263.

[2] Koehler T, Mcnally P J. (Hg,Cd)Te photodiodes for commu- nication systems[J]., 1974, 13: 312.

[3] Zehnder Alan T, Rosakis, Ares J, et al. High speed infrared imaging system and method: US, 6268883[P]. 2001-01-01.

[4] Gudure P R, Rosakis A J, Ravichandran G. Dynamic shear bands: an investigation using high speed optical and infrared diagnostics[J]., 2001, 33: 371-402.

[5] Willardson R K.[M]. Academic Press, 1981.

[6] Nesher O, Klipstein P C. High performance IR detectors at SCD present and future[C]//, 2005, 957: 7-8.

[7] Ikuo Kanno, Shigeomi Hishiki. Fast response of InSb Schottky detector[J]., 2007, 78: 056103.

[8] Shanley J, Perry L C. Wide bandwidth 10.6mm (Hg,Cd)Te photodiodes for infrared heterodyne applications[J]., 1978: 424-429.

[9] Wimmers J T, Smith D S. Characteristics of InSb photovotaic detectors at 77K and below[C]//, 1983, 443: 60.

[10] 施敏, 伍國(guó)玨. 半導(dǎo)體器件物理[M]. 3版. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2008: 73-75.

SHI Min, WU Guojue.[M]. 3th, Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press, 2008: 73-75.

[11] 周冠山. 光伏型銻化銦紅外探測(cè)器量子效率的分析[J]. 航空兵器, 1999(3): 13-22.

ZHOU Guanshan. Analysis of PV InSb infrared detector quantum efficiency[J]., 1999(3): 13-22.

[12] 龔曉霞, 蘇玉輝, 雷勝瓊, 等. 銻化銦p-on-n光伏器件的離子注入設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2009, 31(4): 232-235.

GONG Xiaoxia, SU Yuhui, LEI Shengqiong.Design of ion implantation of InSb p-on-n photovoltaic devices[J]., 2009, 31(4): 232-235.

Response of InSb Infrared Detector with Mesa PN Structure

MA Qi，DENG Gongrong，SU Yuhui，YU Lianjie，XIN Sishu，GONG Xiaoxia，CHEN Aiping，ZHAO Peng

(,650223,)

The relationships of response time, quantum efficiency and dark current of InSb photovoltaic detector are calculated theoretically. The preconditions were set up, in which the InSb infrared detector response time varies from 20ps to 60ps when quantum efficiency changes from 0.56 to 0.61. The mesa p＋-n structure is set for the detector as another condition. Through-,-curve test, the parameters of devices agree with designed values. The response time is 0.3ms with pulse response testing. There is inconsistency between theoretical values and experimental results，for limitations of bond pad capacitance and distributed capacitance.

infrared detector，InSb，response time，quantum efficiency，mesa PN structure

TN216

A

1001-8891(2016)04-0305-05

2016-01-15；

2016-04-02.

馬啟（1990-），男，云南大理人，碩士研究生，主要從事紅外探測(cè)器的研究，E-mail：minina07@163.com。

趙鵬（1972-），男，云南昆明人，研高工，主要從事紅外探測(cè)器的研究，E-mail：13700649519@139.com。