小像元InSb红外焦平面器件光电性能仿真

朱旭波，李 墨，何英杰，吕衍秋

(1. 中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009； 2. 红外探测器技术航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009； 3. 河南省锑化物红外探测器工程技术研究中心，河南 洛阳 471009)

0 引 言

高性能制冷型红外探测器是红外武器装备的核心器件，目前已广泛应用于航天、航空、船舶、兵器等军用光电系统，是现代高技术信息战争获取全维优势的基础。目前，大规模红外焦平面探测器在车载、单兵、小型无人机、精确制导武器等领域有大量迫切需求，同时随着探测器成本降低，民用领域的应用需求也十分旺盛[1]。为了提升武器装备性能和降低成本，一种有效途径是发展小像元探测器技术。由于红外探测器成本与芯片面积成正比，则小像元探测器能够显著降低成本，并且小像元探测器能够提升红外图像的空间分辨率，从而提高探测性能[2]。近年来，5～8 μm中心距的小像元焦平面探测器逐渐发展起来[3-4]。

InSb是一种直接禁带半导体材料，其电子有效质量小，载流子迁移率高，禁带宽度小，77 K时仅为0.23 eV，低温下对红外光的吸收系数高，约为1014cm-1，量子效率不小于80%。InSb红外焦平面列阵器件于20世纪90年代发展成熟，目前已成为最重要的中波红外探测器之一，能够很好地实现大阵列、小像元、数字化，从而满足红外探测器及其光学系统小型化、轻型化、低功耗和高可靠性的发展要求[5-6]。InSb焦平面阵列器件的成结技术包括热扩散技术、离子注入技术和外延技术等[7]。成熟的技术是把单晶为基体材料，采用Cd扩散、Be或Mg离子注入形成p+-on-n二极管结构[8-9]。随着分子束外延技术的兴起，也采用外延法制备InSb材料形成p-i-n二极管结构[10]。之后进行阵列制备，采用SiO2或SixNy钝化，制备金属电极，和硅读出电路通过铟柱互连混成，再经芯片背减薄和减反射膜淀积达到量子效率的优化。

随着像元尺寸的减小，InSb红外焦平面探测器的设计和制备难度会增加。主要面临的技术难题有小像元间串音抑制和小像元阵列混成互连。背入射情况下，扩散、离子注入或分子束外延成结的耗尽区距离有源区较远，随着像元间距的减小，串音会随之增加[11]。串音抑制技术是小像元焦平面探测器必须解决的关键技术之一。由于工艺验证存在复杂性，需要使用理论模型来分析计算，并且这种复杂结构的计算已经超出了解析模型的能力范围，因此, 采用TCAD模拟软件对InSb红外探测器进行了二维模拟分析。

本文拟开展小像元InSb红外焦平面探测器的串音性能研究，采用Sentaurus TCAD仿真软件建立InSb焦平面探测器的串音物理模型，分别对扩散、离子注入和分子束外延成结的7.5 μm像元间距的器件串音进行仿真分析，获取耗尽区和有源区位置和厚度的相对关系和其他影响因素，为器件结构设计提供理论指导。

1 器件模型

在背照射的3个像素单元的InSb阵列器件模拟中，像元间距为7.5 μm，其中沟道宽度为1.5 μm，光敏面大小为5 μm。入射光只照射中间像元，即像元2，入射光截止波长为5.5 μm，光功率为0.000 1 W/cm2，温度77 K。通过计算光电流，可分别得到像元2的电流响应率R2和像元1对像元2的串音，被定义为R1/R2。分别建立扩散成结的台面结模型、离子注入成结的平面结模型和分子束外延结构模型，如图1所示。采用SiO2作为钝化膜，考虑了InSb/SiO2界面态的表面复合率的影响[12]。最后采用金作为电极。

图1 器件模拟结构图Fig.1 Structure of InSb device simulation

建立扩散成结的台面结模型如图1(a)所示，n区由衬底和部分台面组成，掺杂浓度为1×1015cm-3，p区位于台面最顶层，高斯分布，峰值掺杂浓度为1×1019cm-3，结深浓度为1×1015cm-3，结深在0.6～1 μm之间变化，器件厚度在10～24 μm之间变化，台面沟道深度在1～8 μm之间变化。

建立离子注入成结的平面结模型如图1(b)所示，n区由大部分衬底组成，掺杂浓度为1×1015cm-3，p区平面成结，高斯分布，峰值掺杂浓度为1×1019cm-3，结深浓度为1×1015cm-3，结深在1～8 μm之间变化，器件厚度在10～24 μm之间变化。

建立分子束外延结构模型如图1(c)所示，在重掺杂InSb的衬底上生长p-i-n结构。即先在InSb衬底外延一层600 nm厚的n型(掺Te)的缓冲层，然后外延n型吸收层和400 nm顶层p型(掺Be)接触层。衬底掺杂浓度为2.6×1018cm-3，吸收层厚度在1～2 μm之间，掺杂浓度在1×1015～6×1015cm-3之间，缓冲层和接触层掺杂浓度分别控制在4×1017cm-3和1×1018cm-3。器件厚度在10～24 μm之间变化，台面沟道深度1～8 μm之间变化。

半导体光电输运方程包括泊松方程, 电子、空穴连续性方程, 光产生率和复合率方程[13-14], 即

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

Gphoto=J(x,y,z0)·α(λ,z)×

(6)

(7)

(8)

式中：ψ为静电势；R为复合率；q为基本电荷；εs为半导体介电常数；t为时间;n,p分别为电子和空穴浓度；NA,ND为受主和施主浓度；Jn，Jp，μn，μp，Dn，Dp，En，Ep分别表示电子、空穴的电流密度、迁移率、扩散系数和有效电场；G为电子、空穴产生率；J(x,y,z0)为入射光空间分布强度，z0为沿入射光传播方向吸收开始位置；α(λ,z)为吸收系数；λ为入射光波长。在理论计算中，复合项不仅考虑了与隧穿相关的陷阱辅助隧穿和带到带直接隧穿产生复合，而且还考虑了与热相关的SRH复合(RSRH)和Auger复合(RAuger)。

最后，基于Sentaurus TCAD平台将以上方程用有限元方法离散化联立迭代求解，开展器件数值模拟计算，建立器件性能的物理模型。

2 器件性能仿真

2.1 台面结器件

对台面结模型，仿真计算了台面结器件的厚度、台面沟道深度、结深对电流响应率和串音的影响，如图2所示。由图2(a)可以看出，电流响应率随器件厚度的增加而减小，这是因为背入射时n区对光的吸收并不均匀，随着光的前进距离增加，吸收呈指数衰减，即光的吸收主要发生在刚开始的一段距离； 由于p区的厚度固定不变，器件厚度的增加导致主要吸收区离结区的距离增大，光生载流子在扩散过程中被复合的概率就越大，则产生的光响应就越小。同时，随着沟道深度的增加，电流响应率逐渐减小。这是因为沟道的存在减少了吸收区域体积，同时增加了表面面积以致表面复合变多，使载流子扩散到结区域的数量减少，导致光电流减小。由图2(b)可以看出，串音随器件厚度的增加而增加，这是因为器件厚度的增加会导致结区远离光生载流子的产生区域，横向扩散作用的占比增加，导致更多的光生载流子扩散至临近像元，被临近像元的纵向电场抽取到其结区，增加了光串音。同时，随着沟道深度的增加，串音逐渐减小，这是因为沟道隔断了部分载流子扩散到其他像元的路径。

图2 台面结器件仿真结果Fig.2 Simulation results of mesa junction device

当选择器件厚度为10 μm，沟道深度为1 μm时，结深与光电流响应率和串音的关系如图2(c)～(d)所示。可以看出，随着结深的增加，光电流响应变大而串音减少。这是因为pn结区的下移，减少了光生载流子到达路程，降低了被复合的概率。同样，pn结区更靠近光生载流子的产生区域，使中间像元的结区对载流子的拉动作用增强，从而减少了光串音。

所以，台面结器件要增加光电流响应和减少串音，有效的方法是减小器件厚度和增加结深，但是器件厚度受减薄工艺水平限制，结深受扩散工艺水平限制，因此可采用深离子注入方式来增加结深。

2.2 平面结器件

对平面结模型，仿真计算了平面结器件的厚度、结深对电流响应率和串音的影响，如图3所示。

图3 平面结器件仿真结果Fig.3 Simulation results of planar junction device

由图3可以看出，随着器件厚度的增加，电流响应率减小而串音增加，而随着结深的增加，电流响应率增加而串音减小。原因与台面结相同。所以，平面结器件要增加光电流响应和减少串音，有效的方法也是减小器件厚度和增加结深。由于离子注入可以做比较深的结，因此器件厚度减薄到10 μm时，将结深做到8 μm，可以得到大于6.0 A/W的电流响应率和小于10%的串音。与沟道深1 μm、减薄到10 μm的台面结器件对比，电流响应率几乎翻倍，串音更是极大地减小。

2.3 外延结构器件

对外延结构模型，仿真计算了外延结构器件的厚度、台面沟道深度、吸收区厚度和掺杂浓度对电流响应率和串音的影响，如图4所示。

图4(a)～(b)为吸收区掺杂浓度为2×1015cm-3、厚度1.6 μm时得到的器件厚度、台面沟道深度变化对电流响应率和串音的影响。可以看出，电流响应率随器件厚度的增加而减小，串音随器件厚度的增加而增加，原因也与台面结相同。但是电流响应率随着台面沟道深度的增加，不同器件厚度的器件呈现出不同的规律。当器件厚度为10 μm时，电流响应率随台面沟道深度的增加而增加，这是因为不同掺杂浓度的InSb材料对红外光的吸收系数不同，更多的中波红外光吸收发生在吸收区，沟道深度大于2 μm时，对光照起主要作用的吸收区域并没有大的改变，同时沟道越深，减少了串音，从而光电流响应率增加。但是沟道深度为1 μm时，电流响应率也较高，这是因为沟道深度小于吸收层厚度，相当于增加了吸收区体积，这样就有更多的光电流产生。当器件厚度为20 μm以上时，电流响应率随台面沟道深度的增加而减小，这是因为器件厚度较大时，依然吸收了较大部分的中波红外，使到达吸收区的红外光线减少。产生的载流子要经过较长的距离才能到达结区，同时增加了表面面积以致表面复合变多，使得载流子扩散到结区的数量减少，导致光电流减小。但在沟道深度为2 μm时出现了例外情况，因为2 μm的深度处于缓冲层，电极在缓冲层上导致计算结果出现少量偏离。串音随器件厚度和台面沟道深度的变化规律，基本与台面结相同。综合考虑，选择台面沟道深度为1 μm，器件厚度为10 μm，有利于提高光电流响应率和减少串音。

图4 外延结构器件仿真结果Fig.4 Simulation results of epitaxial device

当沟道深度为1 μm，芯片厚度为10 μm时，得到电流响应率和串音随吸收区厚度和掺杂浓度的变化规律，如图4(c)～(d)所示。可以看出，随着吸收区厚度的增加，电流响应率和串音都在改善。因为芯片总厚度不变，吸收区厚度增加则会吸收更多的中波红外光，产生的载流子更容易达到结区，那么电流响应率增加，结区对载流子的拉动作用变强，串音也相对减少。同时，随着吸收区掺杂浓度的增加，电流响应率减小而串音也减小，这是因为掺杂浓度增加导致耗尽区宽度变窄，相对增加了载流子到达结区的距离，相对增加了沟道深度，使串音减小。这表明增加吸收层厚度能够提高光电流响应率和减小串音，掺杂浓度建议选择2×1015cm-3。

3 结果与讨论

无论是台面结、平面结还是外延结构，芯片厚度减小到10 μm时，都显著增加了光电流响应率和减小了串音。因此，提高器件的减薄工艺水平，有助于提升小像元尺寸的器件性能。但从光电流响应率要求考虑，平面结具有较高的光电流响应率(在3.0 ～6.0 A/W范围)，外延结构次之(在2.4 ～3.0 A/W范围)，台面结相对较小(在0.5 ～3.0 A/W范围)。从串音要求考虑，台面结和平面结具有相当的串音水平(在10%～70%范围)，外延结构能达到的最小串音偏大(在30%～60%范围)，有源区和耗尽区尽量靠近，可以减小相邻光敏元之间的串音，还可以通过改变结深和台面沟道深度等措施，改善台面结光电流响应和串音，通过增加结深改善平面结光电流响应和串音，通过增加吸收层厚度和选择合适的掺杂浓度改善外延结构的光电流响应和串音。

4 结 束 语

本文对小像元InSb红外焦平面阵列器件的光电流响应和串音进行了研究，采用背照射的3个像素单元的InSb阵列器件，其中主要研究了器件尺寸、结深、掺杂浓度等参数对电流响应率和串音的影响。结果表明，要增加光电流响应和减少串音，对台面结器件和平面结器件来说，需要减小器件厚度和增加结深，但综合考虑工艺，台面结采用扩散方式的结深难以做得太深，平面结可以采用深离子注入方式来增加结深。对外延结构器件来说，可以采用分子束外延方法方便控制各层厚度和掺杂浓度，通过增加吸收层厚度和选择合适的掺杂浓度来改善其光电流响应和串音。本文的仿真结果，对小像元(特别是尺寸为5～8 μm)InSb红外焦平面阵列器件的结构设计和光电性能验证提供理论指导。