台面PN结InSb红外探测器响应时间研究

马 启，邓功荣，苏玉辉，余连杰，信思树，龚晓霞，陈爱萍，赵 鹏



台面PN结InSb红外探测器响应时间研究

马 启，邓功荣，苏玉辉，余连杰，信思树，龚晓霞，陈爱萍，赵 鹏

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

分析了光伏InSb探测器响应时间与量子效率、反向饱和电流的关系，设计出量子效率为0.61～0.56、响应时间为20～60ps的锑化铟（InSb）红外探测器，实验制备了台面p＋-on-n结构的探测器。通过-、-测试验证了制备的器件物理参数与设计值吻合。采用脉冲响应测试了InSb探测器的响应时间（0.3ms），由于封装和其他分布电容的限制，响应时间测试值与理论计算值存在差距。

红外探测器；锑化铟（InSb）；响应时间；量子效率；台面PN结

0 引言

光子型红外探测器是利用红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子，引起电学性能变化，属于内光电效应。由于内部电子直接吸收红外辐射，不需要加热物体的中间过程，因而光子探测器响应速度快[1-3]。InSb是Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体材料，是本征吸收的窄禁带半导体，因此，决定红外探测器优质因子的量子效率较高；具有很高的电子迁移率（比硅高2个数量级）[4-6]。理论上，InSb光伏探测器非常适合于中波红外的快速探测。

InSb光伏探测器，国际上普遍采用传统的单晶体材料制备。本文根据探测器响应的机理，设计并制备了台面PN结快响应InSb光伏探测器。通过器件-、-曲线和脉冲响应时间的测试，分析影响探测器响应时间的因素，并提出减小探测器响应时间的方法。

1 PN结光敏器件响应时间机理分析

PN结光电探测器对辐射信号的响应主要由芯片的响应时间和前放电路的响应时间决定。其中芯片的响应时间包括：①电中性区光生载流子扩散到耗尽区所需的时间；②光生载流子漂移通过耗尽区所需要的时间；③电时间常数，它与结电容及包括外电路阻抗在内的电阻有关。

1.1 p区少子扩散时间

假设光从p区入射，光生载流子在p区的扩散时间为[7]：

式中：p为p区厚度；n为电子扩散系数。

1.2 n区少子扩散时间

探测器的基区同样存在辐射信号的吸收，n区光生载流子的扩散时间为[7]：

式中：p为空穴扩散长度；p为空穴寿命。

1.3 耗尽区漂移时间

饱和速度为d的载流子通过宽度为耗尽区的渡越时间r为[8]：

r＝/d(3)

式中：A、D为p区和n区的掺杂浓度；s为材料的相对介电常数；i为本征载流子浓度；0＝AD/(A＋D)为有效掺杂浓度。

1.4 电时间常数RC

结电容（D）主要是耗尽区电容（j）和焊盘电容（ox），有影响的电阻主要是串联电阻（s）和外电路的负载电阻（L），这时响应时间为[9]：

D＝(L＋s)(j＋ox) (4)

式中：0是真空介电常数；j是结面积；BP是焊盘面积。

2 InSb探测器设计及制备

2.1 InSb探测器设计

PN结器件有台面和平面两种，本论文采用台面结构。为获得高性能、快响应的探测器，除了响应时间要短，还需要综合考虑量子效率和暗电流因素：

1）量子效率与响应时间的关系

PN结光电器件响应时间主要受扩散时间、漂移时间和时间常数的限制。器件的量子效率受响应速度的限制，根据PN突变结光电二极管的量子效率[11]计算量子效率与响应时间的关系，计算结果如图1、图2、图3所示：

式中：1＝e/e＝/(e/e)、2＝p/p＝/(p/p)；e为电子扩散长度；e为电子寿命。结合公式(1)、(2)并忽略表面反射，理论计算出量子效率与受扩散限制的响应时间关系。从图1、图2、图3中可以得到，PN结InSb能够满足快响应和高量子效率红外探测器的要求。

图1 基区量子效率与扩散时间关系

图2 p区量子效率与扩散时间关系

公式(3)表明漂移时间正比于耗尽层的宽度，而时间常数与耗尽区宽度成反比。因此在时间常数和耗尽区量子效率有关的渡越时间之间存在着一种权衡，对材料的掺杂浓度必须进行优化。

图3 量子效率和RC的关系

2）反向电流为[10]：

式中：p为空穴的扩散系数；为产生寿命。

器件反向饱和电流密度与D成反比，所以基区掺杂浓度不能太低，此外PN器件的0的大小与少子寿命和n区掺杂浓度的乘积成正比。另外，需要将表面漏电流降至最小，使得体内暗电流成为器件的主要暗电流成分。

3）InSb探测器结构设计及理论计算结果

通过响应时间和量子效率的理论计算可以明确，探测器在响应时间和量子效率之间必须折中；p区掺杂浓度对器件响应时间的影响很小，p区掺杂浓度A＝1×1016cm－3时器件0最佳[12]。另外，还需要考虑衬底浓度对器件欧姆接触和串联电阻的影响。

表1是不同掺杂浓度和p区厚度时各部分的响应时间和器件总响应时间的设计及结果。计算器件响应时间选用的参数为，n区掺杂浓度D＝1×1011～1×1015cm－3、基底厚度约为500mm、p区掺杂浓度A＝1×1016cm－2、p区厚度0.1～3.2mm、采用截止波长的吸收系数3500cm－3、反射系数＝0.3、负载电阻L＝50W。

理论计算时间常数时未考虑ox，实际中因取值不同，量子效率的大小存在一定的差异，p区厚度设计也会有所不同。由表1中的数据得到：①当p区掺杂浓度A＝1×1016cm－3，厚度0.8mm时，制约InSb器件响应时间的主要因素是n区载流子扩散时间，为了提高器件的响应时间，通过增加p区的厚度使p区量子效率增加、n区量子效率减小，使n区的光响应信号可忽略；②器件p区厚度为2.6～3.2mm时，器件响应时间减小、量子效率略小。

分析上述的研究结果，对器件结构参数进行优化，器件最终设计为台面PN结构，p区掺杂浓度A＝1×1016cm－3，厚度为2.6～3.2mm；n区掺杂浓度D＝1×1013～1×1014cm－3，厚度为500mm。所设计的探测器响应时间为20～60ps，反向电流密度与常规器件相比变化不大。

2.2 器件制备

对器件延伸电极和金属引线的方式进行优化设计，以减小分布电容的影响，器件采用掺碲n型单晶InSb体材料，经表面处理后，Be离子注入掺杂形成p-n结并退火和去除损伤层。光敏面为p-on-n台面结构，通过光刻技术和湿法腐蚀工艺获得不同的光敏面（直径为200mm、1350mm和140mm×60mm）。采用PECVD制备SiO2钝化层和磁控溅射制备Cr/Au金属膜，抑制器件表面漏电和获得极小的串联电阻，保证器件性能的稳定性，器件结构如图4所示。

表1 不同掺杂浓度和p区厚度时各部分的响应时间和器件总的响应时间

图4 InSb光伏器件结构示意图

3 结果与讨论

3.1 结果

将制备好的芯片液氮制冷到77K温度下，分别采用Keithley 2400数字源表和KEYSIGHT B1500A半导体测试分析仪对器件进行-、-特性测试和脉冲响应时间测试。

1）器件-测试

图5是不同光敏元尺寸（直径为200mm、1350mm和140mm×60mm）的芯片在77K温度下的电流-电压特性曲线。从测试结果可以得到3种样品的0均超过103Wcm2，并无明显差异，说明这3种器件设计方法是合理的。

图5 液氮温度下不同光敏元的I-V曲线

PN结-曲线表明所制备的芯片具有较好的结特性，能满足应用的要求。n区载流子浓度可以控制在较低的水平（1×1013～1×1014cm－3），抑制了器件的产生-复合电流，使得探测器的暗电流较小。

2）器件-测试

测试了芯片1MHz频率下的-曲线，综合考虑引线和测试系统带来的分布电容，得到图6。从图中可以得到，零偏压下芯片的电容约为19.5pF。通过公式(5)计算得到的电容为5 pF，小于实际测量值。原因是当器件结面积很小时ox是不能忽略的。另外，从测试结果拟合得到基区载流子浓度1.4×1013cm－3，与设计的掺杂浓度范围吻合。

图6 InSb器件电容-电压曲线

依据公式(4)结合实际的工艺参数计算出了ox约为14.5pF。将计算得到的电容和ox相加，得到总的电容值接近于19.5pF。从测试和计算结果得到ox对器件总的电容有很大影响。为得到小的响应时间，需通过器件设计减小ox。

表2中，随着器件的光敏面积和电学面积比值越大，器件的归一化电容越小，当光敏面面积与电学面积之比大于80%时，可以获得较小的结电容，将利于提高器件的响应时间。但当光敏面积逐渐接近结面积时，器件的串联电阻将会增大。

表2 归一化电容和面积的关系

将同一芯片封装于普通杜瓦、高频杜瓦中，液氮制冷到77K，测试了不同封装下的-曲线（图7）。可见，封装和引线存在不小的分布电容，为使封装后的探测器电容与芯片电容接近，需要对器件封装和引线方式进行深入研究和改进。

3）脉冲响应时间测试

将芯片封装到宝石窗口的金属杜瓦中，液氮制冷后，采用带宽为100MHz的电路作为探测器的前放电路，用中波红外光源测试器件的响应时间，输出信号采用示波器读取（采用示波器光标读取输出信号的幅值，依据响应时间的定义，提取数据绘出响应时间图）。实验结果如图8、图9所示，普通探测器响应时间为0.8ms，快响应探测器响应时间为0.3ms，与理论计算的响应时间20～60ps存在不小差距，主要原因是：①整个封装的管壳、杜瓦、引线的分布电容都会使器件总的电容增大，导致器件的时间常数增大；②前放电路带宽制约了器件的响应时间，电路3dB截止频率应大于器件的截止频率，电路输入阻抗还需要与探测器匹配。

图7 不同封装形式的电容

图8 普通探测器响应时间

图9 快响应探测器响应时间

3.2 讨论

通过上述实验的结果分析，可从以下方面进一步进行实验：

1）通过合理的器件结构设计减小焊盘电容、接触区的电容对整个器件电容影响；

2）应采用截止频率更高的前放电路，以验证快响应器件的响应时间；

3）制备的器件p区厚度依据经验进行判断，需要采用直接表征方法以验证实际值与设计值的差距。

另外，增大表面复合速度，响应时间会变短，但以牺牲光电性能为代价；器件工作在适当的反向偏压下，器件结电容减小，也可以提高器件的响应速度。为保证测试的响应时间尽可能接近真实值，需要设计新的封装结构。

4 结论

本文根据光伏探测器响应时间理论，理论计算了响应时间与暗电流、量子效率的关系，设计出响应时间为20～60ps、量子效率为0.61～0.56的InSb红外探测器，实验制备了台面p＋-n结构的探测器。通过器件-、-曲线的测试，验证了最终制备的器件参数与设计值吻合。采用脉冲响应法测试了常规器件和快速响应器件的响应时间分别为0.8ms和0.3ms，但与理论计算值存在不小差距，主要原因是器件的焊盘电容和接触区的电容对整个器件电容影响较大，下一步将继续对其深入研究，尽可能减小两者对器件快速响应的影响。

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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.

马启（1990-），男，云南大理人，硕士研究生，主要从事红外探测器的研究，E-mail：minina07@163.com。

赵鹏（1972-），男，云南昆明人，研高工，主要从事红外探测器的研究，E-mail：13700649519@139.com。