中長波雙色碲鎘汞紅外探測器器件模擬與分析

吳亮亮,高 達(dá),劉 銘,王 叢,王經(jīng)緯,周立慶

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞(HgCdTe,MCT)材料因其組分可調(diào)、直接帶隙和高量子效率等特點(diǎn),可實現(xiàn)短波、中波和長波三個“大氣透明窗口”紅外波段的高性能探測,所以在夜視和引擎探測等軍事領(lǐng)域及溫度和熱探測等民用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值[1-3]。

隨著紅外探測器的不斷發(fā)展,紅外隱身技術(shù)也在不斷提高,通過使在特定波段上目標(biāo)與環(huán)境背景具有相似的發(fā)射率,從而導(dǎo)致紅外目標(biāo)對比度的下降,難以識別。由于地球大氣有短波(1～2.5 μm)、中波(3～5 μm)和長波(8～12 μm)三個紅外輻射窗口,若一個熱成像系統(tǒng)能在多波段對目標(biāo)和環(huán)境的輻射特征進(jìn)行同時探測,通過對比不同輻射波長下的輻射特征,就可以對復(fù)雜的背景進(jìn)行抑制,實現(xiàn)紅外探測不受環(huán)境的制約,準(zhǔn)確地提取目標(biāo)熱力學(xué)真實溫度,提高對目標(biāo)的探測效果,在目標(biāo)辨認(rèn)、信號識別及抗干擾方面的性能由于單色探測器,在軍事預(yù)警、搜索和跟蹤系統(tǒng)中能明顯的降低虛警率,以及在地球物理和衛(wèi)星遙感等方面都具有重要應(yīng)用價值。

早期雙色探測器結(jié)構(gòu)多為鑲嵌式,隨著探測器技術(shù)向更大規(guī)模焦平面陣列方向發(fā)展,也要求雙色器件實現(xiàn)大陣列、焦平面結(jié)構(gòu)以及數(shù)字化,而只有疊層式工藝才能實現(xiàn)這一目標(biāo),即單個像元能探測兩個不同波段,當(dāng)與先進(jìn)的多色信息處理算法相結(jié)合時,雙色紅外探測器與單色探測器相比可以進(jìn)一步提高探測靈敏度。其中,中/長波雙色碲鎘汞探測器能提供更寬的范圍、更遠(yuǎn)的探測距離,成為雙色碲鎘汞探測器研究的熱點(diǎn)。

雙色器件在多層材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、器件工藝等相對于單色器件更加困難,器件模擬仿真可驚醒器件性能預(yù)測,指導(dǎo)材料外延生長,對器件制備具有重要參考意義。本文主要引入非拋物線型的吸收系數(shù)模型[4-7],通過模擬器件的光譜響應(yīng),分析兩個波段(中波MW與長波LW)之間的光譜串音以及吸收層和短波阻擋層對器件響應(yīng)率及串音的影響[8-10]。

本文采用的是加拿大Crosslight公司的APSYS軟件進(jìn)行模擬計算分析,該軟件能夠針對化合物及元素半導(dǎo)體的電、光和熱特性作2D/3D有限元分析,涵蓋熱載流子流體動力學(xué)、深能級陷阱其陷阱動力學(xué)以及77K低溫仿真等多種物理模型,同時它具有大量的材料程序庫以及業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)值收斂性,使得它便于模擬探測器及LED等半導(dǎo)體感光或發(fā)光器件。

2 雙色器件結(jié)構(gòu)與碲鎘汞材料吸收系數(shù)模型

目前國際上有多種研究機(jī)構(gòu)的多種器件結(jié)構(gòu),其中法國Sofradir公司的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)的工藝路線是基于現(xiàn)有單色平面器件工藝技術(shù)的同時探測n-p-P-n-p準(zhǔn)平面雙色器件結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖1所示,器件在77 K下工作,整個像元大小為30 μm,每個像元由兩個標(biāo)準(zhǔn)的n-on-p光電二極管組成,兩個吸收層由兩個不同組分的HgCdTe層組成,兩個吸收層之間被短波層隔開,阻止了兩個n-on-p二極管間的載流子漂移,降低光譜串音。每個像元上兩個二極管的獨(dú)立電極可以實現(xiàn)同時讀出。

圖1 準(zhǔn)平面雙色器件結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of quasi-planar two-color device structure

從下往上整個器件的各層材料及器件參數(shù)(模擬過程中某些材料參數(shù)會作為變量)如下:

(1)中波Hg1-xCdxTe層,組分x為0.3,對應(yīng)截止波長為5 μm,總厚度d為6 μm,空穴濃度p為1×1016cm-3；電極1接觸區(qū)為n型注入?yún)^(qū),注入?yún)^(qū)深度為1 μm,等效電子濃度n為1×1017cm-3,電極為歐姆接觸。

(2)短波Hg1-xCdxTe阻擋層,組分x為0.35,對應(yīng)截止波長為3.8 μm,厚度d為0.2 μm,空穴濃度p為1×1016cm-3。

(3)長波Hg1-xCdxTe層,組分x為0.225,對應(yīng)截止波長約為10 μm,總厚度d為8 μm,空穴濃度p為1×1016cm-3；電極2接觸區(qū)為n型注入?yún)^(qū),注入?yún)^(qū)深度為1 μm,等效電子濃度n為1×1017cm-3,電極為歐姆接觸。

(4)電極3為公用電極,接觸區(qū)域中波Hg1-xCdxTe層厚度為3 μm,電極為歐姆接觸。

對于有限元模擬軟件而言,在器件模擬分析時首先要考慮的就是網(wǎng)格設(shè)定問題,計算你模擬是將整個器件分成很多的小格點(diǎn),功過計算每個格點(diǎn)位置處的電荷、電勢、光照等參數(shù)值,最后得出總的器件性能參數(shù)值,比如能帶、I/V、響應(yīng)等。如圖2所示為模擬設(shè)定的網(wǎng)格分布圖,設(shè)定分為垂直方向和水平方向網(wǎng)格。網(wǎng)格密度設(shè)定一般的原則為:在存在突變的界面附近網(wǎng)格點(diǎn)密度加大,其他相同性質(zhì)的區(qū)域網(wǎng)格密度可以相對稀疏；網(wǎng)格間距最大不超過0.1 μm,否則由于網(wǎng)格間隔過大,可能在網(wǎng)格之間存在突變區(qū)域,導(dǎo)致運(yùn)算結(jié)果無法收斂,網(wǎng)格間距一般不小于0.001 μm,否則由于網(wǎng)格密度過大,計算時間過長。

圖2 器件模擬網(wǎng)格分布示意圖Fig.2 Diagram of grid distribution for device simulation

吸收系數(shù)是作為探測器材料光電轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。在材料禁帶寬度所對應(yīng)的能量或波長區(qū)域,吸收系數(shù)將隨著光子能量的增加而快速增大,在紅外吸收光譜中對應(yīng)吸收邊。一般而言在吸收邊附近,吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系可分為兩個部分:在低能區(qū)域(帶尾效應(yīng)),吸收系數(shù)隨著光子能量的減小呈指數(shù)衰減；在高能區(qū)域(帯間躍遷吸收),吸收系數(shù)隨著光子能量的增大呈拋物線型關(guān)系[3],兩者的分界點(diǎn)定義為轉(zhuǎn)變能ET,如圖3所示。

圖3 中波碲鎘汞材料Hg0.7Cd0.3Te的 吸收系數(shù)與波長的關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between absorption coefficient and wavelength of Hg0.7Cd0.3Te

但是對于碲鎘汞材料而言,在高能吸收區(qū)域,近年來非拋物線型的吸收系數(shù)被廣泛使用。Moazzami等人[4-5]通過對碲鎘汞分子束外延材料吸收系數(shù)的測量與擬合,提出了碲鎘汞材料的非拋物線型的吸收系數(shù)模型,其吸收系數(shù)的表達(dá)式為:

E=ET:αT

=(-0.020366T2-0.46742T+3878.9)x+

(3.9788T-566.4)

其中,Eg為紅外透過譜擬合得出的禁帶寬度；ET使得整個吸收系數(shù)連續(xù):

Eg=(-0.00091675x+0.00049989)T+

(1.6624x-0.27547)

通過擬合數(shù)據(jù),得出一組K和c的經(jīng)驗表達(dá)式:

K=57400Eg+67260 ；

c=0.56667Eg+0.0013333

如圖3所示為利用上述非拋物線型的吸收系數(shù)模型得到的中波碲鎘汞材料Hg0.7Cd0.3Te的吸收系數(shù)與波長的關(guān)系。本模擬將根據(jù)上述模型確定不同組分碲鎘汞材料的吸收系數(shù)α隨入射光波長的關(guān)系,以表格的形式代入運(yùn)算中。其他仿真參數(shù)如下:

禁帶寬度:Eg=-0.302+1.93x-0.81x2+0.832x3+5.35×10-4(1-2x)T

介電常數(shù):εs=20-9.4x

電子有效質(zhì)量:

電子親和勢:F=4.23-0.813(Eg-0.083)

空穴遷移率:μh=0.01μe

3 模擬計算結(jié)果與分析

零偏時和工作電壓下中波器件能帶圖如圖4,零偏時和工作電壓下長波器件能帶圖如圖5所示。從圖4和圖5可以看出,當(dāng)n型碲鎘汞材料的摻雜濃度達(dá)到3×1017cm-3時,材料進(jìn)入簡并狀態(tài),費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶之上,這是因為碲鎘汞材料的導(dǎo)帶能太密度低、電子有效質(zhì)量小(0.03m0),導(dǎo)致中等n型摻雜濃度就降使得材料進(jìn)入簡并狀態(tài)。同時,發(fā)現(xiàn)對于長波碲鎘汞材料,由于禁帶很窄,使得耗盡區(qū)能帶彎曲強(qiáng)烈,載流子隧穿的勢壘寬度很窄,直接導(dǎo)致隧穿電流增加,器件暗電流增加。

(a)零偏時

(b)工作電壓時 圖4 零偏時和工作電壓時中波器件能帶示意圖Fig.4 Schematic diagram of the energy band of the medium- wave infrared device at zero bias and working voltage

(a)零偏時

(b)工作電壓時 圖5 零偏時和工作電壓時長波器件能帶示意圖Fig.5 Schematic diagram of the energy band of the long-wave infrared device at zero bias and working voltage

外置偏壓為-1 V時,中波像元電流隨波長的關(guān)系如圖6所示。外置偏壓為-0.5 V時,長波像元電流隨波長的關(guān)系如圖7所示。器件所加光裝為0.02 W/m2,縱坐標(biāo)單位為A/m,這是因為器件模擬為二維結(jié)構(gòu),在未設(shè)置幾何尺寸的Z方向存在一個未知變量。

如圖6所示,中波像元在波長小于5 μm時存在光響應(yīng),并且隨著波長減小響應(yīng)減小,這是因為波長越小其吸收系數(shù)越大,光的穿透深度越小,產(chǎn)生的光生載流子距離結(jié)區(qū)較遠(yuǎn),很難被電極收集,所以量子效率低。

圖6 中波像元電流隨波長的關(guān)系Fig.6 Medium-wave infrared pixel current as a function of wavelength

如圖7所示,長波像元在波長大于4.5 μm時存在光響應(yīng),并且隨著波長減小響應(yīng)減小。同時發(fā)現(xiàn)存在干涉震蕩,這是因為多層材料結(jié)構(gòu)形成干涉。同時發(fā)現(xiàn)器件對波長大于10 μm的光存在響應(yīng),這是由于吸收帶尾效應(yīng)引起的。

圖7 長波像元電流隨波長的關(guān)系Fig.7 Long-wave infrared pixel current as a function of wavelength

實際器件的光譜響應(yīng)是光電流部分,如圖6和圖7所示電流為電極上總的電流,應(yīng)該減去暗電流,同時單位應(yīng)該考慮器件為30 μm中心距。如圖8所示為歸一化之后的光譜響應(yīng)率曲線。

圖8 歸一化光譜響應(yīng)曲線Fig.8 Normalized spectral response curve

3.1 中波吸收層厚度對光譜串音的影響

首先研究了器件的中波吸收層厚度對光譜串音的影響,器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。光譜串音分為中波對長波的串音(MW-LW)和長波對中波的串音(LW-MW),中波對長波的串音為長波像元響應(yīng)信號中的中波紅外光響應(yīng)占長波紅外光響應(yīng)的比例；長波對中波的串音為中波像元響應(yīng)信號中的長波紅外光響應(yīng)占中波紅外光響應(yīng)的比例。中波紅外與長波紅外以5 μm為分界線。如圖9所示中波(a)和長波(b)像元的量子效率隨中波層厚度變化的關(guān)系,如圖10所示光譜串音隨中波層厚度變化的關(guān)系。隨著中波層厚度從4 μm增加至8 μm,中波對長波的串音逐漸減小,這是因為中波層厚度增加將中波紅外光的吸收,使得長波像元中的中波響應(yīng)減小,從而使得中波對長波的串音減小。同時隨著中波層厚度增加,長波對中波的串音線性增大,這是因為隨著中波層厚度增加,其厚度超過波長較短的紅外光的透射深度與少子擴(kuò)散長度之后,導(dǎo)致光生載流子被電路收集的數(shù)量減小,所以最終串音增大。同時考慮中波對長波的串音、長波對中波的串音,最終器件選擇中波層厚度為6 μm。

圖9 中波和長波像元的量子效率隨中波層厚度變化的關(guān)系Fig.9 The relationship between the quantum efficiency of medium-wave

圖10 光譜串音隨中波層厚度變化的關(guān)系Fig.10 The relationship between spectral crosstalk and the thickness of medium-wave layer

3.2 阻擋層組分對光譜串音的影響

其次研究了器件的阻擋層組分對光譜串音的影響,器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖11所示中波(a)和長波(b)像元的量子效率隨阻擋層組分變化的關(guān)系,阻擋層厚度為0.2μm。如圖11所示阻擋層組分增加不影響中波像元的光譜響應(yīng),長波對中波的串音為2.08 %。

圖11 中波和長波像元的量子效率 隨阻擋層組分變化的關(guān)系Fig.11 The relationship between the quantum efficiency of medium-wave and long-wave infrared pixels with the composition of barrier layer

只有阻擋層組分為0.31時,長波像元對中波存在較大響應(yīng),這是因為此時阻擋層與中波層的導(dǎo)帶帶階小,在中波層產(chǎn)生的光生載流子越過帶階勢壘,進(jìn)入長波層而被長波像元收集形成光響應(yīng)。其他阻擋層組分下中波對長波的串音為2.21 %。

3.3 阻擋層厚度為0.1 μm時阻擋層組分對光譜串音的影響

接下來研究了器件的阻擋層厚度為0.1 μm時阻擋層組分對光譜串音的影響,器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖12所示為阻擋層厚度為0.1 μm時中波(a)和長波(b)像元的量子效率隨阻擋層組分變化的關(guān)系。如圖12(a)所示,當(dāng)阻擋層厚度為0.1 μm時,即使阻擋層組分達(dá)到0.45,也存在較大的長波對中波的串音。當(dāng)阻擋層組分低于0.37時,長波對中波的串音約為15 %；阻擋層組分為0.4和0.45時,長波對中波的串音約為10 %。主要原因是阻擋層為0.1 μm時,量子隧穿效應(yīng)強(qiáng),存在長波層產(chǎn)生的光生載流子通過量子隧穿進(jìn)入中波層,從而被中波像元收集形成響應(yīng)。進(jìn)一步提高阻擋層組分可以進(jìn)一步抑制長波對中波的串音,但是生長難度將增加?？刹捎迷黾幼钃鯇雍穸鹊姆绞揭种拼?。如圖13所示為阻擋層厚度為0.1 μm時中波對長波的串音隨阻擋層組分變化的關(guān)系。隨著阻擋層組分的增加,中波對長波的串音逐漸減小并趨于穩(wěn)定,主要原因是組分增大,阻擋層與中波層的導(dǎo)帶帶階大,中波層產(chǎn)生的光生載流子躍遷過帶階勢壘的幾率減少,使得中波對長波的串音減小。

圖12 阻擋層厚度為0.1 μm時中波和 長波像元的量子效率隨阻擋層組分變化的關(guān)系Fig.12 The relationship between the quantum efficiency of medium-wave and long-wave infrared pixels with the composition of barrier layer when the thickness of the barrier layer is 0.1 μm

圖13 阻擋層厚度為0.1 μm時中波對長波的 串音隨阻擋層組分變化的關(guān)系Fig.13 The relationship between medium-wave to long-wave crosstalk with the composition of the barrier layer when the thickness of the barrier layer is 0.1μm

3.4 阻擋層厚度對光譜串音的影響

最后研究了器件的阻擋層厚度對光譜串音的影響,阻擋層組分分別選取0.33、0.35和0.37。如圖14所示為阻擋層組分為0.37時中波和長波像元的量子效率隨阻擋層厚度變化的關(guān)系,組分為0.33和0.35時量子效率譜類似,只是串音大小有差別。阻擋層厚度大于0.1 μm時三個阻擋層組分條件下長波對中波的串音隨阻擋層厚度變化很小,串音約為2.1 %。

圖14 阻擋層組分為0.37時中波和長波 像元的量子效率隨阻擋層厚度變化的關(guān)系Fig.14 The relationship between the quantum efficiency of medium-wave and long-wave infrared pixels with the thickness of barrier layer when the barrier layer composition is 0.37

如圖15所示為中波對長波的串音隨阻擋層厚度變化的關(guān)系。隨著阻擋層厚度增加,中波對長波的串音減小,因為阻擋層厚度增加,量子隧穿效應(yīng)減弱,導(dǎo)致串音減小。當(dāng)阻擋層組分由0.33增加至0.35以上是,中波對長波的串音大幅減小,而組分為0.35與0.37時串音已經(jīng)減小至2 %左右,且厚度增加對串音的影響小,所以器件阻擋層組分選擇0.35以上,厚度為0.3 μm以上,可保證中波對長波的串音以及長波對中波的串音都控制在2.5 %以下。

圖15 中波對長波的串音隨阻擋層厚度變化的關(guān)系Fig.15 Crosstalk of medium-wave to long-wave with the thickness of barrier layer

4 結(jié) 論

本文主要利用Crosslight公司的APSYS軟件模擬準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)中長波雙色碲鎘汞探測器,包括準(zhǔn)平面器件結(jié)構(gòu)、碲鎘汞吸收系數(shù)模型等初步建模。同時采用非拋物線型的吸收系數(shù)模型計算碲鎘汞材料的吸收系數(shù)。研究表明中波層厚度增加將抑制中波對長波的串音,同時將小幅增大長波對中波的串音；阻擋層組分越大,阻擋層與中波層的導(dǎo)帶帶階越大,光生載流子躍遷過帶階勢壘的幾率減少,使得串音減小；阻擋層厚度越大量子隧穿效應(yīng)減弱,導(dǎo)致串音減小。最終通過模擬分析,中波層厚度為6 μm,阻擋層組分為0.35以上,阻擋層厚度為0.3 μm以上,結(jié)合生長難度和進(jìn)一步抑制串音,可提高阻擋層組分和寬度,以使中波對長波的串音以及長波對中波的串音都控制在2.5 %以下。