納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)對GaInAsSb p-n結(jié)紅外光電性能的調(diào)控*

皇甫夏虹 劉雙飛 肖家軍 張蓓 彭新村?

1) (東華理工大學(xué)信息工程學(xué)院， 南昌 330013)

2) (東華理工大學(xué)， 江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)中心， 南昌 330013)

GaInAsSb在紅外光電領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值， 但是窄帶隙材料較高的本征載流子濃度和俄歇復(fù)合系數(shù)使其室溫暗電流密度較高， 需要進行制冷才能獲得滿足應(yīng)用要求的光電性能.本文利用表面寬帶隙半導(dǎo)體納米柱陣列和背面高反射率金屬對GaInAsSb p-n結(jié)有源區(qū)進行雙面光調(diào)控， 將光限制在較薄的有源區(qū)進行吸收， 從而提升光電轉(zhuǎn)換量子效率并降低室溫暗電流.采用時域有限差分方法仿真分析光學(xué)性能， 采用數(shù)值分析方法求解載流子輸運方程以分析光電性能.理論結(jié)果表明， 在當(dāng)前工藝水平下， 雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)通過激發(fā)光學(xué)共振效應(yīng)可以使厚度1 μm的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)在1.0—2.3 μm紅外波段的平均量子效率達到90%， 擴散暗電流密度可達5×10—6 A/cm2， 暗電流主要來自于表面復(fù)合， 俄歇復(fù)合的貢獻較小.

1 引 言

GaxIn1—xAs1—ySby四元半導(dǎo)體與商業(yè)化GaSb襯底晶格匹配時理論上可以通過調(diào)節(jié)組分實現(xiàn)禁帶寬度(Eg)在0.726—0.296 eV范圍內(nèi)變化， 相應(yīng)工作波段范圍為1.7—4.2 μm[1]， 一定程度上覆蓋了1—3 μm和3—5 μm兩個大氣吸收窗口， 在光纖通信、紅外成像、環(huán)境檢測、空間技術(shù)、光伏發(fā)電等方面具有廣闊應(yīng)用前景[2-5].室溫截止波長約2.3 μm的 Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86(Eg～ 0.53 eV)在四元混溶隙附近， 采用金屬有機化合物化學(xué)氣相沉 積(metal-organic chemical vapor deposition，MOCVD)、分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)等非平衡方法可以獲得高質(zhì)量外延層， 基于此的p-n結(jié)光伏型器件在紅外光電探測和熱光伏發(fā)電等應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛關(guān)注[6-9].

量子效率(QE)和暗電流密度(J0)是決定p-n結(jié)應(yīng)用性能的重要參數(shù)， 前者主要受光吸收率和光生載流子輸運效率的影響， 后者主要與載流子輸運特性相關(guān).較薄的p-n結(jié)有源區(qū)可以獲得高輸運效率和較低的暗電流， 而為了充分吸收入射光又需要有足夠的有源區(qū)厚度.窄禁帶Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86半導(dǎo)體的本征載流子濃度和俄歇復(fù)合系數(shù)較高， 室溫下擴散暗電流密度較高， 降低有源區(qū)厚度可以降低俄歇復(fù)合對暗電流的貢獻[10].因此， 通過合理的設(shè)計以達到“光厚電薄”的效果可以有效提升光電器件的光電轉(zhuǎn)換性能[11].背面周期性布拉格反射結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的駐波共振可以增強薄有源區(qū)的光吸收，但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 工藝成本高[12].在Lambert-Beer定律限制下， 表面光學(xué)膜提升光吸收的能力有限， 多層光學(xué)膜的工藝難度也比較大[13].

在太陽能電池中， 表面亞波長納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)和背面高反射率金屬膜被用于對p-n結(jié)有源區(qū)進行雙面光調(diào)控， 將入射光限制在薄有源區(qū)充分吸收， 從而實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率的超薄光電轉(zhuǎn)換器件[14-20].而納米光子學(xué)結(jié)構(gòu)在紅外光電器件中的應(yīng)用較少， 目前尚未見其在GaxIn1—xAs1—ySby器件中的應(yīng)用報道.本文擬引入晶格匹配的納米柱陣列(nano pillar array， NPA)結(jié)構(gòu)寬帶隙AlAs0.06Sb0.96(Eg～1.65 eV)作為表面窗口層， 并在背面引入高反射率金屬作為背面反射層(back surface reflector， BSR)， 對Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)進行雙面光調(diào)控， 通過理論仿真設(shè)計并優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)， 利用納米光子學(xué)共振效應(yīng)增強紅外光電轉(zhuǎn)換效率.

2 器件結(jié)構(gòu)和理論方法

圖1(a)為所設(shè)計的雙面光調(diào)控p-n結(jié)器件材料結(jié)構(gòu).Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)為光電轉(zhuǎn)換有源區(qū)， 其前后表面分別引入寬帶隙AlAs0.06Sb0.96窗口層和GaSb背面電場層(back surface field，BSF)以降低表面載流子復(fù)合速度.雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)包括窗口層表面正方形排列的NPA和鋁(Al)BSR， 前者可以采用納米壓印[21]、自組裝納米球掩膜[22]等方法刻蝕制備在窗口層表面， 后者可以采用晶圓鍵合方法制備[23]， 這些工藝與半導(dǎo)體制程工藝相兼容， 已在多種半導(dǎo)體器件中成功應(yīng)用.NPA制備在寬帶隙窗口層表面， 避免刻蝕工藝對有源區(qū)電學(xué)性能的影響.在與GaSb襯底晶格匹配的半導(dǎo)體中， AlAs0.06Sb0.96的室溫禁帶寬度最大，選用其制作表面窗口層和NPA既可以獲得較高的材料生長質(zhì)量， 還可以實現(xiàn)較低的寄生光吸收.在上述NPA-BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)中， 亞波長NPA可以激發(fā)光學(xué)共振， BSR可以將透射光反射回有源區(qū)并激發(fā)駐波共振， 利用這些光學(xué)效應(yīng)可以將光有效限制在較薄的p-n結(jié)有源區(qū)， 從而提升光電性能.

材料的光學(xué)結(jié)構(gòu)和尺寸是影響光學(xué)特性的主要因素， 本文采用時域有限差分(finite different time domain， FDTD)方法對圖1(a)的NPA-BSR雙面光調(diào)控p-n結(jié)器件進行光學(xué)仿真[24].圖1(b)為FDTD仿真設(shè)置， 入射光從器件正面沿z軸負方向垂直入射， AlAs0.06Sb0.96納米柱在x—y平面以二維正方形排列， 仿真區(qū)域為以納米柱為中心的正方形重復(fù)單元(圖中紅框所示區(qū)域)， 在x-y平面設(shè)置周期性邊界條件， 在z軸方向設(shè)置完美匹配層邊界條件， 光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)包括納米柱直徑(D)、高度(H)、周期(P)和各光學(xué)功能層的厚度， 仿真所采用的網(wǎng)格精度為2 nm.AlAs0.06Sb0.96窗口層、GaSb BSF和Al BSR的厚度設(shè)定為圖1(a)中的固定值，重點分析NPA的結(jié)構(gòu)參數(shù)和p-n結(jié)有源區(qū)總厚度(L)的影響.在光源上方設(shè)置反射率監(jiān)視器可以獲得入射光的表面反射率(R(λ)).在p-n結(jié)有源區(qū)的前后表面分別設(shè)置光功率監(jiān)視器， 可以獲得進入和透過有源區(qū)的光功率占總?cè)肷涔夤β实谋嚷?即圖1(b)中的T1(λ)和T2(λ))， 從而計算出有源區(qū)光吸收率為A(λ) =T1(λ)—T2(λ).

Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)的電學(xué)性能通過求解載流子輸運方程和電流方程進行計算， 具體如下[25]:

圖1 雙面光調(diào)控Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié) (a)材料結(jié)構(gòu); (b)三維FDTD光學(xué)仿真設(shè)置Fig.1.Illustration of the two-side light modulation structured Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction: (a) Material structure; (b) crosssection of the three-dimensional FDTD optical simulation setup.

其中， (1)式、(3)式分別為電子連續(xù)性方程和電流密度方程， (2)式、(4)式分別為空穴連續(xù)性方程和電流密度方程.n，p分別為電子和空穴的濃度，μe，μh分別為電子和空穴遷移率，De，Dh分別為電子和空穴擴散系數(shù)，Re，Rh分別為電子和空穴的復(fù)合率，q，E分別為電子電荷、電場強度.G為光生載流子產(chǎn)生率.在Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)設(shè)置三維場分布監(jiān)視器， 采用FDTD仿真可獲得電場強度隨波長和位置的分布結(jié)果(E(λ，x，y，z))，G隨波長和位置的分布由下式計算:

式中，h和ε''(λ)分別為普朗克常數(shù)和Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86介電函數(shù)的虛部.將(5)式代入(1)—(4)式， 并采用Congenda公司的TCAD(technology computer-aided design)軟件進行求解[26]， 該軟件采用牛頓迭代法對載流子輸運方程進行數(shù)值求解，所采用的網(wǎng)格密精度為2 nm.

基于以上理論模型， 器件量子效率QE的計算公式寫為

式中，λ為入射光波長，JSC(λ)為短路電流密度，Фinc(λ)為入射光子流密度(單位時間單位波長間隔入射到單位面積上的光子數(shù)目)，Фabs(λ)為單位時間單位波長間隔單位面積的p-n結(jié)有源區(qū)吸收的光子數(shù)，A(λ) =Фabs(λ)/Фinc(λ)和C(λ) =JSC(λ)/[qФabs(λ)]分別為p-n結(jié)有源區(qū)的光吸收率和光生載流子收集效率.器件的暗電流密度J0可以在無光照時通過求解(1)—(4)式計算獲得.各層材料的光學(xué)常數(shù)和電學(xué)特性參數(shù)采用已報道的實驗或理論數(shù)據(jù)[27-29].

3 結(jié)果與討論

3.1 共振模式和光學(xué)特性

根據(jù)已報道的結(jié)果[30]， 納米柱高度H需要足夠大以在其內(nèi)部激發(fā)光學(xué)共振所需要的環(huán)形電場或磁場， 而H過高會增加NPA的寄生光吸收， 本文根據(jù)理論結(jié)果優(yōu)化選擇H= 300 nm， 重點討論直徑D和間距P對光學(xué)共振的影響.NPA面密度采用填充因子進行描述， 定義為F=D/P.

圖2(a)和圖2(b)分別給出了反射譜R(λ)和有源區(qū)吸收譜A(λ)隨D的變化結(jié)果， 其中H=300 nm，F(xiàn)= 0.6， p-n結(jié)有源區(qū)總厚度L= 1 μm.由圖2(b)可見， 在截止波長2.3 μm以下， 有源區(qū)具有一系列吸收峰， 與圖2(a)反射譜的谷值相對應(yīng)， 這些吸收峰與光學(xué)共振密切相關(guān).在波長小于AlAs0.06Sb0.96本征吸收截止波長0.75 μm的短波區(qū)， NPA窗口層具有較強的本征光吸收， 使得有源區(qū)吸收率較低.

圖2(b)中標記為1的吸收峰與NPA-BSR結(jié)構(gòu)在有源區(qū)激發(fā)的F-P腔駐波共振有關(guān)， 共振波長主要與材料的光學(xué)常數(shù)和共振腔長度有關(guān)， 針對圖1(a)的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)諧振腔，具體關(guān)系式寫為[20]

圖2 納米柱直徑D對Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)光學(xué)特性的影響 (a)表面反射譜; (b)有源區(qū)光吸收譜Fig.2.Effects of the nanopillar diameter D on the optical properties of the Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction: (a) Surface reflectance spectrum; (b) absorption spectrum in active region.

式中，λf為駐波共振波長，q為共振級數(shù)(整數(shù))，na為有源區(qū)折射率實部，L為有源區(qū)厚度，φ1，φ2分別為有源區(qū)前后表面光反射產(chǎn)生的相移.(7)式的計算結(jié)果與圖2(b)中駐波共振峰位相符合.

標記為2的吸收峰與納米柱激發(fā)的Mie散射共振有關(guān)， 對于真空中的單根納米柱， 根據(jù)Mie散射理論， 光沿著納米柱軸向入射時， 共振波長與尺寸的關(guān)系為[18]

式中，λm為Mie散射共振波長，nw為納米柱折射率實部，D為納米柱直徑，k為共振級數(shù)(如k= 1為偶極子共振， 更高的k值則對應(yīng)四極子、八極子等更高級別的共振模式).圖1(a)中， NPA制作在AlAs0.06Sb0.96窗口層表面， 其背面的窗口層及有源區(qū)會對Mie散射共振光場的分布產(chǎn)生影響， 但對共振波長的影響較小， (8)式的計算結(jié)果與圖2(b)中的共振峰位基本相符合.

標記為3的吸收峰與周期性NPA產(chǎn)生的Wood-Rayleigh反常衍射有關(guān)， 衍射波長與NPA周期(即圖1(a)中相鄰納米柱的間距P)的關(guān)系為[31]

式中，λw為反常衍射波長，θ為入射角(垂直入射時取為0).圖2(b)中的粉色線為根據(jù)(9)式計算的反常衍射線， 可見其與仿真所獲得的吸收峰位相符合.

根據(jù)圖2的仿真結(jié)果， 優(yōu)化選擇納米柱直徑D為540 nm， 其激發(fā)的共振吸收峰分布在0.8—2.3 μm波段， 在2.3 μm帶邊附近吸收較強， 有利于增強寬波段范圍的光電轉(zhuǎn)換效率.

圖3給出了有源區(qū)吸收譜隨NPA填充因子F的變化結(jié)果， 其中H= 300 nm，D= 540 nm，L= 1 μm.根據(jù)文獻報道， 增加F會增強納米柱之間的相互作用， 使共振峰展寬， 但是共振吸收峰的強度會降低， 因此需要根據(jù)實際器件的應(yīng)用需求進行優(yōu)化選擇.根據(jù)圖3的結(jié)果， 本文優(yōu)化選擇F為0.6， 其在截止波長以下的寬波段具有最優(yōu)的吸收率.

圖4(a)—(d)分別給出了NPA-BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)、NPA單面光調(diào)控結(jié)構(gòu)、表面1/4波長Si3N4增透膜(中心波長1.6 μm)和BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)、表面1/4波長Si3N4增透膜單面光調(diào)控結(jié)構(gòu)對Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)光吸收率的增強效果.NPA尺寸選擇為上述優(yōu)化值， 即H= 300 nm，D= 540 nm，F(xiàn)= 0.6.有源區(qū)厚度L較大時， 單面與雙面光調(diào)控對有源區(qū)光吸收的增強效果相差不大， 但是前者在1.0—2.3 μm的長波段吸收率隨有源區(qū)厚度降低而迅速降低， 主要是因為長波段吸收系數(shù)較低， 使得薄有源區(qū)透射率較高.基于表面1/4波長Si3N4增透膜的雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)在有源區(qū)厚度較薄時可以在中心波長附近較窄的波段范圍內(nèi)獲得較高吸收率， 但其與NPA-BSR相比有一定的差距.

圖3 納米柱填充因子F對Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)有源區(qū)的光吸收譜的影響Fig.3.Effects of the nanopillar fill factor F on the absorption of the Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction active region.

根據(jù)圖4(a)的仿真結(jié)果， 本文提出的NPABSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)對Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)光吸收的增強效果較為明顯，L超過3 μm時在1.0—2.3 μm寬波段的平均吸收率超過95%，L降低至1 μm時平均吸收率接近90%.對于未采用雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)的器件， 充分吸收入射光所需要的有源區(qū)厚度在5 μm以上， 這與已報道的實驗和理論結(jié)果相符合[10，25，28，29].

3.2 光電特性

根據(jù)(6)式， 光電轉(zhuǎn)換量子效率QE(λ)主要和Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)的光吸收率A(λ)和光生載流子收集效率C(λ)有關(guān)， 前者已在3.1節(jié)進行了討論， 后者主要受載流子復(fù)合率、遷移率、有源區(qū)摻雜濃度和厚度等因素的影響.復(fù)合機制主要有直接復(fù)合、間接復(fù)合(SRH復(fù)合)、俄歇復(fù)合和表面復(fù)合.直接復(fù)合、俄歇復(fù)合和遷移率等相關(guān)物理參數(shù)均與材料屬性和工作溫度有關(guān)， 本文將器件工作溫度設(shè)定為室溫(300 K).針對圖1(a)中的p-n結(jié)有源區(qū)， n型層位于p型層上方， 其結(jié)構(gòu)和相關(guān)物理參數(shù)見表1所示， 本文重點討論SRH復(fù)合、表面復(fù)合、有源區(qū)總厚度等實驗因素對QE(λ)的影響.

圖4 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)下Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)有源區(qū)的光吸收譜 (a)NPA和BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu); (b)NPA單面光調(diào)控結(jié)構(gòu); (c)表面1/4波長Si3N4增透膜和BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu); (d)表面1/4波長Si3N4增透膜單面光調(diào)控結(jié)構(gòu).其中NPA尺寸為H = 300 nm， D = 540 nm， F = 0.6， Si3N4增透膜的中心波長設(shè)計為1.6 μmFig.4.Absorption spectrums of the Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction active region under different optical structures: (a) NPABSR two-side light modulation structure; (b) NPA one-side light modulation structure; (c) surface λ/4 Si3N4 anti-reflection film and BSR two-side light modulation structure; (d) surface λ/4 Si3N4 anti-reflection film one-side light modulation structure.The NPA geometry parameters are set as H = 300 nm， D = 540 nm and F = 0.6， central wavelength of the λ/4 Si3N4 anti-reflection film is set as 1.6 μm.

表1 室溫(300 K)下Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)有源區(qū)的結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)[27-29]Table 1.Structure and physical parameters of the Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction at room temperature (300 K)[27-29].

圖5將計算所得總厚度L為5 μm的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)的內(nèi)量子效率(IQE)與Wang等[32]報道的實驗數(shù)據(jù)進行了比較， 可見理論與實驗結(jié)果相符合.

圖5 室溫(300 K)下Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)的IQEFig.5.IQE for Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction diode at 300 K.

圖6 為不同復(fù)合參數(shù)下載流子收集效率譜C(λ)隨波長λ和有源區(qū)總厚度L的變化結(jié)果， 由圖可見，L主要影響1.0—2.3 μm波段的C(λ)值.Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86半導(dǎo)體在靠近截止波長的長波區(qū)光吸收系數(shù)較低[27]， 入射光進入材料的深度較大， 增大厚度L會增加深部光吸收產(chǎn)生的載流子擴散至空間電荷區(qū)的距離， 導(dǎo)致復(fù)合幾率增加， 因此在長波區(qū)C(λ)隨L增大而降低.SRH本征復(fù)合壽命(τ0)和有源區(qū)前后表面復(fù)合速度(SF和SB)主要與材料工藝質(zhì)量有關(guān)， 降低τ0或增加SF和SB都會使光生載流子的有效輸運距離變短， 導(dǎo)致在長波區(qū)L對C(λ)的影響增大.短波區(qū)光吸收系數(shù)較高， 入射光主要在前表面附近被吸收， 因此增加SF會使短波區(qū)C(λ)降低.根據(jù)圖6， 在器件所關(guān)注的1.0—2.3 μm紅外波段， 降低有源區(qū)厚度可以降低復(fù)合對C(λ)的不利影響， 對L= 1 μm的薄有源區(qū)， 將τ0降低為10—3μs或?qū)F，SB增大為106cm/s時，C(λ)仍在90%以上.圖6(a)中的復(fù)合參數(shù)為已報道的實驗數(shù)據(jù)[29]， 可見L= 1 μm時在1.0—2.3 μm紅外波段的C(λ)值在99%以上.

圖7(a)和圖7(b)分別給出了復(fù)合參數(shù)對厚度1 μm和6 μm的有源區(qū)量子效率QE(λ)的影響結(jié)果， 可以看到后者受復(fù)合參數(shù)的影響遠高于前者.NPA-BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)可以將光限制在較薄的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)進行吸收， 而載流子在薄有源區(qū)中的輸運距離較短， 因此復(fù)合對輸運效率的影響較小， 從而有利于獲得較高的光電轉(zhuǎn)換量子效率.根據(jù)圖7(a)， 在當(dāng)前工藝水平下， 厚度1 μm的有源區(qū)在1.0—2.3 μm波段的QE(λ)平均值接近90%.

暗電流密度J0是Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)的另一項重要性能參數(shù).對于紅外光伏型探測器， 其暗電流噪聲正比于J0， 降低J0是提升器件探測能力的重要手段.對于紅外熱光伏電池， 降低J0可以有效提升器件的開路電壓， 從而提升能量轉(zhuǎn)換效率.對于實際的p-n結(jié)器件， 暗電流主要有p-n的反向飽和電流(又稱為擴散暗電流， 本文以J0d表示)、空間電荷區(qū)的產(chǎn)生和復(fù)合電流(Jr-g)以及邊緣漏電流(Jl).Jr-g主要與空間電荷區(qū)的深能級雜質(zhì)有關(guān)， 改善材料的生長質(zhì)量可以有效降低深能級雜質(zhì)的濃度， 從而降低Jr-g.Jl主要與器件邊緣電學(xué)質(zhì)量有關(guān)， 改善邊緣鈍化工藝可以有效降低Jl.J0d主要和復(fù)合率、遷移率和材料結(jié)構(gòu)有關(guān)，本文主要討論復(fù)合參數(shù)和厚度對J0d的影響， Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86有源區(qū)的結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)物理參數(shù)取為表1中的值.

圖6 不同復(fù)合參數(shù)下載流子收集效率譜C(λ)隨波長λ和有源區(qū)總厚度L的變化 (a) τ0 =1 μs， SF = SB = 102 cm/s; (b) τ0 =10—3 μs， SF = SB = 102 cm/s; (c) τ0 =1 μs， SF = 106 cm/s， SB = 102 cm/s; (d) τ0 =1 μs， SF = 102 cm/s， SB = 106 cm/s.τ0為SRH復(fù)合本征壽命， SF和SB分別為有源區(qū)前后表面復(fù)合速度Fig.6.Dependence of the carrier collection efficiency spectrums C(λ) on λ and active region thickness L for different carrier recombination parameters: (a) τ0 =1 μs， SF = SB = 102 cm/s; (b) τ0 =10—3 μs， SF = SB = 102 cm/s; (c) τ0 =1 μs， SF = 106 cm/s， SB = 102 cm/s;(d) τ0 =1 μs， SF = 102 cm/s， SB = 106 cm/s.

圖7 復(fù)合參數(shù)對不同厚度有源區(qū)量子效率譜QE(λ)的影響 (a) L = 1 μm; (b) L = 6 μmFig.7.Effects of the carrier recombination parameters on the quantum efficiency spectrums for different active region thickness L:(a) L = 1 μm; (b) L = 6 μm.

圖8 為各種復(fù)合機制所決定的擴散暗電流密度隨有源區(qū)厚度L的變化結(jié)果， 其中，J0dA，J0dB，J0dSRH和J0dS分別為俄歇復(fù)合、帶間直接復(fù)合、SRH復(fù)合和表面復(fù)合所決定的擴散電流密度.由圖8可見， 體復(fù)合決定的擴散暗電流密度(即J0dA，J0dB和J0dSRH)均隨L增大而增大.其中J0dB遠低于J0dA和J0dSRH， 表明帶間直接復(fù)合的影響可以忽略.J0dSRH主要由τ0決定， 其主要和材料生長質(zhì)量有關(guān).根據(jù)已報道的實驗數(shù)據(jù)， 通過改善材料生長工藝可以將τ0提升至1 μs以上， 此時J0dSRH遠低于J0dA.J0dA由少子的俄歇復(fù)合壽命決定， 本文僅考慮了帶間俄歇復(fù)合， 相關(guān)復(fù)合參數(shù)主要與Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86的能帶結(jié)構(gòu)、本征載流子濃度等本質(zhì)屬性和工作溫度等因素有關(guān)， 因此提升工藝質(zhì)量很難有效抑制俄歇復(fù)合.根據(jù)圖7的計算結(jié)果，L從6 μm降低至1 μm時，J0dA的值從約10—5A/cm2降低至約10—6A/cm2， 降低幅度達到1個數(shù)量級，表明降低有源區(qū)厚度可以有效抑制俄歇復(fù)合對暗電流的貢獻.表面復(fù)合決定的擴散暗電流密度J0dS隨L的變化不大， 由圖8可見， 表面復(fù)合速度大于103cm/s時， 對厚度低于4 μm的有源區(qū)，J0dS高于體復(fù)合電流密度， 因此改善有源區(qū)前后表面的鈍化工藝對于降低薄有源區(qū)的J0d較為關(guān)鍵.

圖9為室溫下Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)的復(fù)合參數(shù)和L對J0d的影響結(jié)果.黑色曲線所對應(yīng)的復(fù)合參數(shù)為當(dāng)前已報道的實驗數(shù)據(jù)[29]， 可見L=1 μm時J0d約為5 × 10—6A/cm2， 根據(jù)圖8，在此條件下J0d主要來自于表面復(fù)合.進一步改善有源區(qū)前后表面的鈍化工藝， 將表面復(fù)合速度降低為100 cm/s時(圖9中的紅色曲線)，L=1 μm時的J0d約為2 × 10—6A/cm2.L超過5 μm時，J0d的值超過10—5A/cm2， 且俄歇復(fù)合成為主要的貢獻.圖9還給出了Dashiell等[29]報道的實驗數(shù)據(jù)，其與本文的計算結(jié)果相符合.

圖8 各種復(fù)合機制所決定的擴散暗電流密度隨有源區(qū)厚度L的變化Fig.8.Dependence of the diffusion dark current densities on active region thickness L.

圖9 室溫下Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n結(jié)的J0d隨復(fù)合參數(shù)和L的變化Fig.9.Dependence of the J0d on carrier recombination parameters and L for Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86 p-n junction at room temperature.

4 結(jié) 論

本文分析了NPA-BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)的紅外光電性能.利用NPA激發(fā)Mie散射共振和Wood-Rayleigh反常衍射，利用NPA-BSR結(jié)構(gòu)在p-n結(jié)有源區(qū)激發(fā)駐波共振， 通過合理選擇材料結(jié)構(gòu)， 這些光學(xué)效應(yīng)可以將紅外波段的光限制在較薄的有源區(qū)進行吸收.降低有源區(qū)厚度可以提升光生載流子收集效率， 并降低俄歇復(fù)合對暗電流密度的貢獻.理論結(jié)果表明， 在當(dāng)前工藝水平下， NPA-BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)使厚度1 μm的Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86在1.0—2.3 μm寬波段范圍內(nèi)獲得超過99%的載流子收集效率和高達90%的平均量子轉(zhuǎn)換效率， 在室溫下的擴散暗電流密度可降低至5 × 10—6A/cm2.理論分析表明， 擴散暗電流密度主要來自于表面復(fù)合， 因此改善有源區(qū)前后表面的鈍化工藝還可以進一步降低暗電流.NPA-BSR的關(guān)鍵制備工藝為納米壓印刻蝕和晶圓鍵合， 這些工藝技術(shù)較為成熟， 有利于實現(xiàn)大面積批量生產(chǎn).上述結(jié)果表明， NPA-BSR雙面光調(diào)控結(jié)構(gòu)可以有效提升Ga0.84In0.16As0.14Sb0.86p-n結(jié)的光電性能， 通過改善工藝條件， 有望實現(xiàn)在室溫下工作的高量子效率低暗電流密度紅外光電器件， 在紅外光電探測和熱光伏發(fā)電等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值.