InAlAs浓度对In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As红外探测器特性的影响

叶 伟，杜鹏飞，萧 生，李梦飞

（陕西理工大学 机械工程学院，陕西 汉中 723001）

引言

在红外技术的快速发展时代，具有更小的尺寸、重量已经成为短波红外光电探测器的重要要求，室温下的红外线探测在化学传感、气体检测、医疗诊断、自由空间通信等各个领域具有重要的应用价值[1-3]。红外探测器可将人类肉眼观测不到的红外辐射能转换为可测量的能量，主要应用于加强目标和对象的精准识别。对于短波红外(SWIR)探测，很容易受到激光的辐射干扰，使成像系统降低或失去成像能力，其实质是光电材料的功能衰退[4]。因此，探测器的材料体系由二元化合物向三元化合物进行转变，而HgxCd1-xTe 和InxGa1-xAs 为三元化合物中主要的材料体系[5]。三元化合物InxGa1-xAs 受到研究人员的广泛关注，并被应用于红外成像和无人驾驶等光电领域[6-7]。经研究发现三元化合物In0.83Ga0.17As 在室温下具有足够低的暗电流，使得In0.83Ga0.17As 成为SWIR 中最实用的探测材料之一，其对应的禁带宽度为0.48 eV,吸收波长的范围在1.0 μm～1.7 μm 之间。倍增层材料为InP 和吸收层材料为InGaAs 组成的InP/InGaAs 探测器，长期用于波长为1 310 nm 或1 550 nm 的光通信系统中，表现出良好的性能[8-10]。然而，化合物InxAl1-xAs 材料比InP 材料更具有作为倍增层材料的优势。主要原因是化合物InxAl1-xAs材料可以通过调节其中In 的组分来调节InAlAs的带隙，当In 的组分为0.83 时，In0.83Al0.17As 材料的禁带宽度为0.79 eV，具有比InP 更窄的带隙，同时也可以获得更窄的光谱响应范围，且有利于抑制表面漏电；In0.83Al0.17As 材料的电子/空穴电离系数、电子迁移率比InP 材料的大；与In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As 探测器相比较，InP/InGaAs 探测器的电离系数对温度变化的敏感性小[11]。此外，当器件帽层为InP 更容易引起晶格失配导致的缺陷在能带隙内引入额外的能级，增加载流子的复合率，从而使器件的暗电流增加[12]。四元化合物InGaAsP材料可以有效减小InGaAs 和InAlAs 异质结势垒。倍增层的各类参数对于提高器件性能有明显的影响。陈俊等研究人员通过对倍增层掺杂浓度进行优化，有效减小了器件的暗电流，获得了高增益，同时降低击穿电压和贯通电压[13-14]。特别是在确定倍增层的掺杂浓度后，当倍增层厚度[15]小于0.8 μm 时，击穿电压会随着倍增层厚度的增加呈先减小后增大的变化，贯穿电压则会单调增大。这些研究对改善器件的性能有很大的帮助。目前报道的InxGa1-xAs 短波红外探测器，在室温下的工作性能仍受到器件结构和材料的制约。因此，新型材料组分的确定和器件内部各层参数的合理选择是提高光电探测器件性能的有效途径，而倍增层掺杂浓度的变化对器件性能的影响较大，还没有关于倍增层掺杂浓度对In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As红外探测器性能影响的相关报道。

本文采用仿真模拟法对平面型In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As 探测器进行仿真分析，探究了器件不同倍增层掺杂浓度下电场分布，暗电流以及响应度的性能差异，借此确定器件较为理想的倍增层掺杂浓度数值，并计算了在该值下表征器件性能的相关参数，以降低探测器的暗电流和提升响应速度为目的，改善器件的性能，为后续的实验提供一种思路。

1 器件结构与仿真模型

台面型探测器表面泄漏电流占总暗电流的主导地位，且InxGa1-xAs 的表面不稳定会造成高表面泄漏电流，这会引起暗电流增大，同时，为了能够满足SWIR 波长最低暗电流设计要求，通常采用平面型探测器结构[16-17]。器件的结构如图1所示，以重掺杂N 型GaAs 为器件衬底，在其上生长N 型In0.83Al0.17As 缓冲层，接着是弱掺杂P 型In0.83Ga0.17As吸收层，然后是减少载流子在异质结界面上积累的InGaAsP 渐变层，最后是N 型掺杂的倍增层和P 型掺杂的帽层。表1 为红外探测器结构参数的取值。

表1 红外探测器结构参数的取值Table 1 Values of structural parameters of infrared detector

在选择仿真中用到的物理模型时，考虑到器件的电学和光学性能，选择相关的俄歇复合模型、Shockley-Read-Hall(SRH)复合模型，同时，遵循载流子浓度依赖迁移率模型、能带变窄模型、光学复合模型和碰撞离化模型，统计分布采用费米-狄拉克统计，计算方法为Newton 迭代法[18-23]。仿真中用到的部分材料参数如表2所示。

表2 仿真模型中的材料参数Table 2 Material parameters of simulation model

2 结果与讨论

为了研究倍增层掺杂浓度对器件性能的影响，本文使用8×1015cm−3、1×1016cm−3、2×1016cm−3、4×1016cm−3、6×1016cm−3和8×1016cm−36 种倍增层掺杂浓度来分析器件性能与掺杂浓度之间的联系。

图2 是器件的能带结构图。通过在器件的能带图中建立一维直角坐标系，在帽层与倍增层的PN 结处设为坐标原点，其各层到坐标原点的距离如图2 标注所示。倍增层、帽层的厚度分别为Lc和Lm，渐变层、吸收层、缓冲层到原点O的距离分别为Lm+Lg、Lm+Lg+La、Lm+Lg+La+Lb。器件模拟中的入射光假设在耗尽区全部被吸收，载流子漂移到达Lm，倍增效应只发生在Lm范围内。

如何有效控制器件倍增层内部的电场，对器件的性能非常重要。Akiba M 等研究人员认为吸收层和缓冲层对器件内部电场的调节作用非常小，而倍增层内部的参数起主要作用[24]。图3 是不同倍增层掺杂浓度下的电场分布。从图3 中可以看出，器件的倍增层掺杂浓度从8×1016cm−3减小到8×1015cm−3时，对应的倍增层电场强度峰值从1.96×105V/cm 减小到6.48×104V/cm。随着倍增层掺杂浓度的减小，倍增层电场强度也相应的减小，且由陡峭向平缓趋势转变。倍增层掺杂浓度为8×1016cm−3时，对应的电场强度峰值为1.96×105V/cm，倍增层的电场分布呈现陡峭状态，分布不均匀，就会引起耗尽区宽度变小，达不到减小器件暗电流的目的。倍增层掺杂浓度在8×1015cm−3时的电场峰值为6.48×104V/cm，倍增层的电场分布相对比较平缓。而倍增层掺杂浓度在2×1016cm−3时，倍增层的电场分布趋势发生比较明显的倾斜变化，此时对应的电场强度峰值为1.03×105V/cm。因此，器件倍增层的掺杂浓度不易超过2×1016cm−3，以此来确保器件倍增区电场的相对稳定。倍增层掺杂浓度的改变，只会明显地引起Lm范围内的电场变化，而Lc、Lg、La等层内的电场分布基本不会发生改变。因此，器件内部的电场分布可以利用倍增层掺杂浓度的变化进行有效地调控。

图4 是不同倍增层掺杂浓度下的暗电流密度与偏压分布曲线图。注意到室温下倍增层掺杂浓度的变化对器件性能的影响，在没有考虑界面复合速率可能随着异质结界面掺杂浓度增加而增加的情况下，分析可变倍增层掺杂浓度对器件产生暗电流的影响情况。从图4 中可以看出倍增层掺杂浓度与暗电流密度曲线的变化趋势，当倍增层掺杂浓度在2×1016cm−3时，曲线下降趋势发生明显变化。倍增层掺杂浓度从8×1015cm−3增加到1×1016cm−3时，在负偏压0.2 V 时，对应暗电流密度从0.27 A/cm2降低到0.26 A/cm2,减小程度为3.7%。掺杂浓度从1×1016cm−3增加到2×1016cm−3时，对应暗电流密度从0.26 A/cm2降低到0.07 A/cm2，减小程度为73%。但当倍增层掺杂浓度从2×1016cm−3增加到4×1016cm−3时，对应的暗电流密度从0.07 A/cm2减小到0.02 A/cm2，减小程度为71%，随着倍增层掺杂浓度的逐渐增大，暗电流密度以不同的程度减小。在倍增层掺杂浓度依次增大到2×1016cm−3时，暗电流密度显著减小，这是因为倍增层InAlAs掺杂浓度较高时，InAlAs 层中的耗尽区向InGaAs层延伸，InAlAs 层中的耗尽区宽度变窄，抑制了复合电流的生成，降低了器件暗电流的大小。

在光电流模拟中，设定了反向负偏置电压为1.5 V，InGaAs 材料的复折射率，其数值如图5所示。采用光强为1 W/cm2的1.55 μm 波长的正射单色红外辐射，在室温下模拟不同倍增层掺杂浓度下的光响应度。

图6 是不同倍增层掺杂浓度下的光响应度曲线图。波长为1.5 μm 处器件的光响应度，如图6中嵌入图所示。研究表明，在倍增层掺杂浓度从8×1015cm−3增加到8×1016cm−3时，在波长1.5 μm 对应的光响应度峰值从0.955 A/W 减小到0.952 A/W，尽管只是略微减小了0.003 A/W，但表明随着倍增层掺杂浓度的增加，器件的光响应度在减小，只是倍增层掺杂浓度的改变对器件的光响应度影响比较小。在波长1.0 μm～1.6 μm 范围内光响应度呈现出平缓趋势且较高，在两侧急剧减小，这是器件在发生表面漏电的情况时，少数载流子寿命通常比较低，但载流子的复合率将会进一步增大，让多数载流子在没有达到PN 结之前就已经被完全复合，故到达源区的载流子数量会有所降低。因此，光响应度将会减小，故可以通过表面不漏电来提高器件的光响应度。

图7 是不同倍增层掺杂浓度下的瞬态响应。随着倍增层掺杂浓度的增加，器件在光脉冲作用下产生的稳态电流会减小。结果表明，尤其是当倍增层掺杂浓度从4×1016cm−3增大到6×1016cm−3时，器件的响应时间变长，响应特性逐渐变差。减小倍增层的掺杂浓度有利于提高器件的响应特性和光谱响应，但会产生较大的暗电流，倍增层掺杂浓度过大引起杂质缺陷增加，复合电流也会增大，从而增加器件的暗电流。倍增层掺杂浓度在

8×1015cm−3、1×1016cm−3、2×1016cm−3和4×1016cm−3

对应下的瞬态响应如图7 中嵌入图所示，从嵌入图中可以观察到倍增层掺杂浓度在8×1015cm−3、1×1016cm−3、2×1016cm−3和4×1016cm−3的响应时间变化比较小。再根据前文的分析，当倍增层掺杂浓度为2×1016cm−3时，在图3 中，器件倍增层内的电场明显向平缓趋势转变，在图4 中，暗电流密度显著减小，在图7 中，器件的响应时间变长，响应特性急剧变差。因此，通过不同倍增层掺杂浓度对器件倍增层内的电场分布、暗电流密度和瞬态响应的影响进行综合分析，初步选择器件倍增层的掺杂浓度为2×1016cm−3。

为了验证器件倍增层掺杂浓度处于2×1016cm−3时器件的性能，计算了室温下倍增层不同掺杂浓度下的比探测率。图8 是在不同倍增层掺杂浓度下的暗电流密度(J)和微分电阻面积(RdA)与偏置电压的关系，图8 中只绘制出倍增层掺杂浓度处于2×1016cm−3时的暗电流密度。其中，暗电流在仅考虑扩散(DIFF)和SRH 在反向偏置下产生的电流，曲线表示DIFF 和SRH 生成的暗电流密度之和。随着反向偏置电压的增大，DIFF 和SRH 生成的暗电流密度之和也逐渐增大且趋于平缓，由于偏置电压增大时的表面泄漏对总电流密度的影响越来越重要，因此暗电流密度曲线在负偏压30 mV时有明显的斜率(K)变化。

品质因子(R0A)是表征光电器件的一个性能指标[25]，其值为零偏压下(RdA)的大小，RdA计算如（1）式所示：

式中：K是玻尔兹曼常数；T是温度；q是单位电荷量；J0是饱和暗电流密度。在室温下利用(1)式，RdA计算结果如图8所示。在反向负偏压1.5 V时，各倍增层掺杂浓度下对应的R0A值如图8 中的嵌入图所示。

最重要的光敏度被广泛地参数化为比探测率可更进一步表征光电器件的性能[26]。因此，计算了室温下器件的比探测率，比探测率D∗与零偏置电阻面积R0A和光响应度R的计算如（2）式所示：

室温下器件的比探测率D∗由(2)式计算，其结果如图9所示，其中光响应度R是波长在1.5 μm对应下的峰值。可以看到，当倍增层掺杂浓度处于2×1016cm−3时，器件的比探测率获得最大值1.947 5×109cmHz1/2W−1；倍增层浓度为6×1016cm−3时，比探测率又增大，这是由于器件光响应度和暗电流密度的变化速率不一致所引起的。但器件在倍增层掺杂浓度处于2×1016cm−3时的性能达到最优。此结果与前文初步确定器件倍增层掺杂浓度为2×1016cm−3时的性能最优相吻合。

将该探测器在室温下的最优比探测率值与最近报道的相关探测器比探测率值[27-30]进行比较，如图10所示。在图10 中，器件1 是本文计算出的比探测率值，器件2、3、4 和5 是相关报道器件在室温下的比探测率值。结果表明，器件1 的比探测率值处于报道器件比探测率值的范围之间，说明仿真中选用物理模型合理，也证明了结论的有效性。

3 结论

本文利用半导体仿真工具Silvaco 软件对In0.83Al0.17As/In0.83Ga0.17As红外探测器进行仿真，模拟计算了该器件在不同倍增层掺杂浓度下的电场强度、电流特性和光响应度的变化规律。详细讨论了随着器件倍增层掺杂浓度的增加，倍增层内的电场强度峰值增加，会引起倍增层电场分布不均匀，而器件的暗电流与光响应度呈减小趋势，但对器件的光响应度影响比较小。进一步研究确定室温下倍增层的掺杂浓度处于2×1016cm−3时，器件表现出优异的性能，并通过比较不同倍增层掺杂浓度下器件的比探测率验证了此结论。研究结果对未来制备具有高性能的短波红外探测器具有指导意义。