周 朋,劉 銘,邢偉榮

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

nBn結(jié)構(gòu)是一種單極勢壘層探測器結(jié)構(gòu),其電極層以及吸收層均為n型材料,寬禁帶的勢壘層薄層嵌于電極層和吸收層之間,其能帶示意圖如圖1所示。勢壘層B會阻擋電極層中的電子向吸收區(qū)擴(kuò)散,但不會阻擋吸收區(qū)的光生電子和空穴。在無光照時,器件內(nèi)電流很??；當(dāng)施加光照時,在吸收區(qū)由于光激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對分別在外加電場的抽取作用下運動,到達(dá)電極形成電信號。與傳統(tǒng)pn結(jié)結(jié)構(gòu)器件不同,nBn結(jié)構(gòu)沒有內(nèi)建空間電荷區(qū),其吸收層耗盡區(qū)寬度大大降低甚至完全消除,可以有效降低SRH暗電流、直接隧穿電流和陷阱輔助隧穿電流等結(jié)生暗電流,同時,由于在nBn器件結(jié)構(gòu)中吸收區(qū)掩埋在寬禁帶的勢壘區(qū)下,起到了類似于鈍化的效果,器件表面漏電也大大降低。因此,相比于傳統(tǒng)器件,其可以在更高的工作溫度達(dá)到相同的探測性能。

圖1 nBn結(jié)構(gòu)器件的能帶示意圖

nBn結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于超晶格、MCT、InAs(InAsSb)等材料中。2014年,法國Montpellier大學(xué)和SOFRADIR公司第一次報道了nBn結(jié)構(gòu)的高溫工作InSb紅外探測器[1]。為了研究nBn型InSb結(jié)構(gòu)對性能的影響,本文使用SentaurusTCAD軟件進(jìn)行了模擬仿真。

2 勢壘層的改進(jìn)

勢壘層能帶控制是nBn結(jié)構(gòu)器件的關(guān)鍵。一方面,勢壘層與吸收層的導(dǎo)帶差值(Conduction Band Offset,CBO)要足夠大,從而抑制電子穿過產(chǎn)生暗電流,另一方面,勢壘層與吸收層價帶的差值(Valence Band Offset,VBO)要盡可能小,以免阻擋空穴流動從而影響器件性能。

根據(jù)Adachi[2]提出的III-V族三元化合物禁帶寬度的計算方法可以計算出InSb nBn結(jié)構(gòu)的能帶情況,計算時均忽略摻雜引起的費米能級位置改變而引起的不同層間的能帶偏差,取InAlSb勢壘層鋁組分為25%,取InSb和AlSb材料的價帶差為-0.41 V[3]。計算結(jié)果與文獻(xiàn)中InAs[4]、InAs/GaSb SLs[5]及MCT[6]三種材料nBn結(jié)構(gòu)的能帶偏差對比列于表1。

表1 不同材料nBn結(jié)構(gòu)的能帶偏差對比

從表中可以看出,InAs材料及InAs/GaSb type-II SLs材料的價帶差非常小,基本上可以忽略。而InSb與MCT材料nBn結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)類似,價帶差較大。這是因為InAsSb和InAs/GaSb type-II SLs的nBn結(jié)構(gòu)采用其他材料來充當(dāng)勢壘層,價帶差和導(dǎo)帶差均可調(diào)節(jié)。而MCT材料采用不同組分的MCT材料充當(dāng)勢壘層,InSb的勢壘層則采用InSb與AlSb的固溶體InAlSb材料,隨著Cd組分或Al組分的增加,導(dǎo)帶勢壘和價帶勢壘呈比例增加,無法單獨調(diào)節(jié)價帶差或?qū)Р睢?/p>

若直接對未改進(jìn)的InSb nBn器件加偏壓,將得到如圖2所示的能帶圖。由于外加偏壓影響能帶的原理是通過載流子的耗盡或者累積,其并不能改變吸收層和勢壘層接觸界面的能帶突變,所以無論外加電壓如何,在吸收層和勢壘層的接觸面均存在勢壘,只是勢壘從方形變?yōu)榱巳切汀Ｈ切蝿輭疽廊粚馍昭ㄓ凶钃跣Ч?降低了器件性能。因此,為了獲得更好的性能,需找出減小或消除價帶差的方法。

一種可行的方法是引入漸變型勢壘層,即靠近吸收層的一側(cè)Al組分不是突變而是線性緩變降低的,圖3為引入漸變型勢壘層后未加偏壓,加0.1 V反偏和0.2 V反偏時的價帶圖,從圖中可以看出,當(dāng)反偏電壓足夠大時,價帶差可以完全消除。

圖2 未改進(jìn)的InSb nBn器件加不同偏壓時的能帶圖

圖3 采用漸變型勢壘層后不同反向偏壓時的能帶圖

為了進(jìn)一步驗證漸變型勢壘層的必要性,我們使用Sentaurus軟件分別模擬了勢壘層改進(jìn)前后的光暗電流IV圖,如圖4所示。從圖中可知,在低反偏時,加入漸變型勢壘后的光暗電流均比未加入時的大,且未加入漸變型勢壘層的器件在反偏電壓小于0.5 V時基本無光信號,而當(dāng)反偏電壓大于0.5 V時暗電流急劇上升,無法正常工作,因此,為了改進(jìn)器件性能,在勢壘層靠近吸收層一側(cè)加入漸變層是十分必要的。

圖4 加入漸變型勢壘層前后的IV圖

3 器件性能模擬仿真

3.1 nBn結(jié)構(gòu)的I-V圖分析

為了研究改進(jìn)勢壘層后的InSb nBn結(jié)構(gòu)隨反偏電壓增大時的性能,我們模擬了暗電流IV圖。結(jié)果如圖5所示。

從圖中可以明顯看出I-V圖包含4個階段,第1階段,反偏電壓未能克服價帶差,無電流通過；第2階段,反偏電壓克服了價帶差,空穴擴(kuò)散電流可以自由通過,第1和第2階段的臨界點稱為開啟電壓；第3階段,反偏電壓繼續(xù)增大,耗盡區(qū)開始擴(kuò)大到吸收層,產(chǎn)生復(fù)合(G-R)電流開始出現(xiàn)；第4階段,反偏電壓大到克服了導(dǎo)帶差,電流呈指數(shù)增大。最佳工作電壓為第2階段。

圖5 InSb nBn結(jié)構(gòu)暗電流IV圖

圖6 MCT nBn結(jié)構(gòu)暗電流IV圖

圖6為MCT nBn結(jié)構(gòu)的IV模擬圖[7],其同樣包含4個階段,規(guī)律與InSb nBn結(jié)構(gòu)基本相同。根據(jù)之前表1中的MCT 和InSb nBn結(jié)構(gòu)能帶偏差的計算,兩種材料的能帶偏差大致相同,故其有同樣的IV曲線規(guī)律在意料之中。

3.2 勢壘層厚度和組分對IV曲線的影響

圖7為不同勢壘層厚度的光暗IV圖,隨著厚度增加,開啟電壓略微增加,開始產(chǎn)生GR電流的電壓大幅增加,工作電壓的范圍增大,且光電流在偏壓達(dá)到要求時幾乎不變。因此勢壘層厚度應(yīng)適當(dāng)增大。但考慮到應(yīng)力問題,勢壘層厚度也不宜過大。當(dāng)厚度取0.1 μm時,開啟電壓約為-0.1 V,產(chǎn)生GR電流的電壓約為-0.6 V,該區(qū)間足以滿足工作偏壓要求。

圖8為不同勢壘層組分的光暗IV圖,當(dāng)勢壘層組分增大時,開啟電壓迅速變大,而GR電流開始產(chǎn)生的電壓變化幅度不大,工作電壓的范圍變小,光電流在偏壓達(dá)到要求時幾乎不變。從圖上看來勢壘層組分越小越好。當(dāng)勢壘層組分太小(<15%)時,價帶差雖然幾乎可以忽略,開啟電壓非常接近于0 V,但是此時導(dǎo)帶差也非常小,在有光照時勢壘層已被擊穿,模擬中顯示為結(jié)果不收斂。且模擬時未考慮隧穿電流,組分太小時勢壘高度降低,隧穿概率迅速增大,變得不可忽略,故勢壘層組分也不宜太小。綜上,本文取Al組分范圍為15%～20%。

圖7 不同勢壘層厚度的IV圖

圖8 不同勢壘層組分的IV圖

4 器件結(jié)果

將生長的nBn型器件經(jīng)過器件工藝流片,然后測試其IV特性,得到的77 K下IV曲線如圖9所示。圖10為法國Montpellier大學(xué)和SOFRADIR公司nBn型InSb器件[1]在不同溫度下的暗電流趨勢圖。對比可發(fā)現(xiàn),本文器件暗電流IV圖與法國的器件暗電流趨勢相同,說明nBn結(jié)構(gòu)可以正常工作,但是其暗電流偏大,還有較大的改進(jìn)空間,需要進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)和工藝,進(jìn)一步提高器件的工作溫度。

圖9 nBn器件IV曲線圖

圖10 法國nBn型InSb器件在不同溫度下的暗電流趨勢圖

5 結(jié) 論

本文從能帶結(jié)構(gòu)方面分析了InSb nBn結(jié)構(gòu)的勢壘層,并使用Sentaurus TCAD軟件計算并模擬了改進(jìn)前后的器件IV性能,仿真結(jié)果表明,在勢壘層靠近吸收層一側(cè)加入漸變層可以有效改進(jìn)器件性能。之后本文仿真模擬了勢壘層和吸收層摻雜對能帶的影響,以及勢壘層Al組分、厚度對器件性能的影響。最后根據(jù)仿真結(jié)果選定勢壘層Al組分15%～20%,厚度0.1 μm進(jìn)行實際外延生長,并給出初步的器件流片結(jié)果。