第５０卷 第１２期 激光与红外Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．１２ ２０２０年１２月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０２０
文章编号：
１００１ ５０７８（２０２０）１２ １４７２ ０８·红外材料与器件· 中长波双碲镉汞红外探测器器件模拟与分析
吴亮亮，高 达，刘 铭，王 丛，王经纬，周立庆
（华北光电技术研究所，北京１０００１５）
摘 要：利用Ｃｒｏｓｓｌｉｇｈｔ公司的ＡＰＳＹＳ软件模拟准平面结构中长波双碲镉汞红外探测器的不同结构的光谱串音。研究表明中波层厚度增加将抑制中波对长波的光谱串音，同时将小幅增大长波对中波的光谱串音；阻挡层组分越大，阻挡层与中波层的导带带阶越大，光生载流子跃迁过带阶势垒的几率减少，使得光谱串音减小；阻挡层厚度越大量子隧穿效应减弱，导致光谱串音减小。通过优化器件结构可使中波对长波的光谱串音以及长波对中波的光谱串音都控制在２ ５％以下。关键词：碲镉汞；中长波；双；光谱串音
中图分类号：ＴＮ２１４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２０．１２．００８
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｌｏｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ
ｔｗｏ ｃｏｌｏｒＨｇＣｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ
ＷＵＬｉａｎｇ ｌｉａｎｇ，ＧＡＯＤａ，ＬＩＵＭｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｏｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎｇ ｗｅｉ，ＺＨＯＵＬｉ ｑｉｎｇ
（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｅｕｓｅｔｈｅＡＰＳＹＳｓｏｆｔｗａｒｅｏｆＣｒｏｓｓｌｉｇｈｔＣｏｍｐａｎｙｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋｏｆｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｌｏｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ＭＷ／ＬＷ）ｔｗｏ ｃｏｌｏｒＨｇＣｄＴｅｉｎｆｒａ
ｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｉｎａｑｕａｓｉ ｐｌａｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｅｄｉｕｍｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｌａｙｅｒｗｉｌｌｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋｏｆｍｅｄｉｕｍｗａｖｅｔｏｌｏｎｇｗａｖｅ，ｗｈｉｌｅｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋｏｆｌｏｎｇｗａｖｅｔｏｍｅｄｉｕｍｗａｖｅｂｙａｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔ Ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂａｒｒｉｅｒｌａｙｅｒ，ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎｂａｎｄｏｆｆｓｅｔｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂａｒｒｉｅｒｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｍｅｄｉｕｍｗａｖｅｌａｙｅｒ，ｔｈｅｌｅｓｓｔｈｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｔｈａｔｐｈｏｔｏ ｇｅｎｅｒａｔｅｄｃａｒｒｉｅｒｓｗｉｌｌｊｕｍｐｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂａｎｄｏｆｆｓｅｔｂａｒｒｉｅｒ，ｗｈｉｃｈｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋ Ｔｈｅｌａｒｇｅｒｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｂａｒｒｉｅｒｌａｙｅｒ，ｔｈｅｌｏｗｅｒｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｔｕｎ ｎｅｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎａｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋ Ｂｙｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｄｅｖｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋｏｆｍｅｄｉｕｍｗａｖｅｔｏｌｏｎｇｗａｖｅａｎｄｌｏｎｇｗａｖｅｔｏｍｅｄｉｕｍｗａｖｅｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｅｌｏｗ２．５％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｇＣｄＴｅ；ＭＷ／ＬＷ；ｔｗｏ ｃｏｌｏｒ；ｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋ
作者简介：吴亮亮（１９８６－），男，博士，工程师，研究方向是碲锌镉基碲镉汞分子束外延。Ｅ ｍａｉｌ：ｗｌｌｄｘｘｘ＠１６３．ｃｏｍ
收稿日期：２０２０ ０３ ０９；修订日期：２０２０ ０５ ２４
１ 引 言
碲镉汞（ＨｇＣｄＴｅ，ＭＣＴ）材料因其组分可调、直接带隙和高量子效率等特点，可实现短波、中波和长波三个“大气透明窗口”红外波段的高性能探测，所以在夜视和引擎探测等军事领域及温度和热探测等
民用领域具有重要应用价值［
１－３］
。随着红外探测器的不断发展，红外隐身技术也在不断提高，通过使在特定波段上目标与环境背景具有相似的发射率，从而导致红外目标对比度的下降，难以识别。由于地球大气有短波（１～２ ５μｍ）、中波（
３～５μｍ）和长波（８～１２μｍ）三个红外辐射窗口，若一个热成像系统能在多波段对目标和环境
开关柜触头测温
的辐射特征进行同时探测，通过对比不同辐射波长下的辐射特征，就可以对复杂的背景进行抑制，实现红外探测不受环境的制约，准确地提取目标热力学真实温度，提高对目标的探测效果，在目标辨认、信号识别及抗干扰方面的性能由于单探测器，在军事预警、搜索和跟踪系统中能明显的降低虚警率，以及在地球物理和卫星遥感等方面都具有重要应用价值。
早期双探测器结构多为镶嵌式，随着探测器技术向更大规模焦平面阵列方向发展，也要求双器件实现大阵列、焦平面结构以及数字化，而只有叠层式工艺才能实现这一目标，即单个像元能探测两个不同波段，当与先进的多信息处理算法相结合时，双红外探测器与单探测器相比可以进一步提高探测灵敏度。其中，中／长波双碲镉汞探测器能提供更宽的范围、更远的探测距离，成为双碲镉汞探测器研究的热点。
双器件在多层材料结构设计、器件工艺等相对于单器件更加困难，器件模拟仿真可惊醒器件性能预测，指导材料外延生长，对器件制备具有重要参考意义。本文主要引入非抛物线型的吸收系数模型［４－７］，通过模拟器件的光谱响应，分析两个波段（中波ＭＷ与长波ＬＷ）之间的光谱串音以及吸收层和短波阻挡层对器件响应率及串音的影响［８－１０］。
本文采用的是加拿大Ｃｒｏｓｓｌｉｇｈｔ公司的ＡＰＳＹＳ软件进行模拟计算分析，该软件能够针对化合物及元素半导体的电、光和热特性作２Ｄ／３Ｄ有限元分析，涵盖热载流子流体动力学、深能
级陷阱其陷阱动力学以及７７Ｋ低温仿真等多种物理模型，同时它具有大量的材料程序库以及业界领先的数值收敛性，使得它便于模拟探测器及ＬＥＤ等半导体感光或发光器件。
２ 双器件结构与碲镉汞材料吸收系数模型目前国际上有多种研究机构的多种器件结构，其中法国Ｓｏｆｒａｄｉｒ公司的准平面结构的工艺路线是基于现有单平面器件工艺技术的同时探测ｎ ｐ Ｐ ｎ ｐ准平面双器件结构，其结构如图１所示，器件在７７Ｋ下工作，整个像元大小为３０μｍ，每个像元由两个标准的ｎ ｏｎ ｐ光电二极管组成，两个吸收层由两个不同组分的ＨｇＣｄＴｅ层组成，两个吸收层之间被短波层隔开，阻止了两个ｎ ｏｎ ｐ二极管间的载流子漂移，降低光谱串音。每个像元上两个二极管
的独立电极可以实现同时读出。
图１ 准平面双器件结构
Ｆｉｇ １Ｄｉａｇｒａｍｏｆｑｕａｓｉ ｐｌａｎａｒｔｗｏ ｃｏｌｏｒｄｅｖｉｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
从下往上整个器件的各层材料及器件参数（模拟过程中某些材料参数会作为变量）如下：
（１）中波Ｈｇ
１－ｘ
Ｃｄ
ｘ
Ｔｅ层，组分ｘ为０ ３，对应截止波长为５μｍ，总厚度ｄ为６μｍ，空穴浓度ｐ为１×１０１６ｃｍ－３；电极１接触区为ｎ型注入区，注入区深度为１μｍ，等效电子浓度ｎ为１×１０１７ｃｍ－３，电极为欧姆接触。
（２）短波Ｈｇ
１－ｘ
Ｃｄ
ｘ
Ｔｅ阻挡层，组分ｘ为０ ３５，对应截止波长为３ ８μｍ，厚度ｄ为０ ２μｍ，空穴浓度ｐ为１×１０１６ｃｍ－３。
（３）长波Ｈｇ
１－ｘ
Ｃｄ
ｘ
Ｔｅ层，组分ｘ为０ ２２５，对应截止波长约为１０μｍ，总厚度ｄ为８μｍ，空穴浓度ｐ为１×１０１６ｃｍ－３；电极２接触区为ｎ型注入区，注入区深度为１μｍ，等效电子浓度ｎ为１×１０１７ｃ
ｍ－３，电极为欧姆接触。
（４）电极３为公用电极，接触区域中波Ｈｇ
１－ｘＣｄ
ｘ
Ｔｅ层厚度为３μｍ，电极为欧姆接触。
对于有限元模拟软件而言，在器件模拟分析时首先要考虑的就是网格设定问题，计算你模拟是将整个器件分成很多的小格点，功过计算每个格点位置处的电荷、电势、光照等参数值，最后得出总的器件性能参数值，比如能带、Ｉ／Ｖ、响应等。如图２所示为模拟设定的网格分布图，设定分为垂直方向和水平方向网格。网格密度设定一般的原则为：在存在突变的界面附近网格点密度加大，其他相同性质的区域网格密度可以相对稀疏；网格间距最大不超过０ １μｍ，否则由于网格间隔过大，可能在网格之间存在突变区域，导致运算结果无法收敛，网格间距一般不小于０ ００１μｍ，否则由于网格密度过大，计算时间过长。
３
７
４
信用卡催收系统１
激光与红外 Ｎｏ．１２ ２０２０ 吴亮亮等 中长波双碲镉汞红外探测器器件模拟与分析
图２ 器件模拟网格分布示意图
Ｆｉｇ ２Ｄｉａｇｒａｍｏｆｇｒｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒｄｅｖｉｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
吸收系数是作为探测器材料光电转换效率的一个重要参数。在材料禁带宽度所对应的能量或波长区域，吸收系数将随着光子能量的增加而快速增大，在红外吸收光谱中对应吸收边。一般而言在吸收边附近，吸收系数与光子能量的关系可分为两个部分：在低能区域（带尾效应），吸收系数随着光子能量的减小呈指数衰减；在高能区域（ 间跃迁吸收），吸收系数随着光子能量的增大呈抛物线型关系［３］
，两者的分界点定义为转变能ＥＴ
，如图３
所示。
图３ 中波碲镉汞材料Ｈｇ０ ７Ｃｄ０ ３
Ｔｅ的吸收系数与波长的关系示意图
Ｆｉｇ ３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ
ａｎｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆＨｇ０ ７Ｃｄ０ ３
Ｔｅ但是对于碲镉汞材料而言，在高能吸收区域，近年来非抛物线型的吸收系数被广泛使用。Ｍｏａｚｚａｍｉ
等人［４－５］
通过对碲镉汞分子束外延材料吸收系数的
测量与拟合，提出了碲镉汞材料的非抛物线型的吸收系数模型，其吸收系数的表达式为：
Ｅ＜ＥＴ：α＝αＴ
ｅ３９１０３Ｅ－Ｅ()ＴＴ＋()
５５ ８２３
Ｅ＝ＥＴ：αＴ
＝－０ ０２０３６６Ｔ２－０ ４６７４２Ｔ＋()３８７８ ９
ｘ＋３ ９７８８Ｔ()－５６６ ４
Ｅ＞ＥＴ
：α＝Ｋ
Ｅ－Ｅ
ｇ
()＋ｃ２－ｃ槡
２
Ｅ－Ｅｇ
()＋ｃＥ选亲
其中，Ｅｇ为红外透过谱拟合得出的禁带宽度；ＥＴ使得整个吸收系数连续：
Ｅｇ＝－
变频模块
０ ０００９１６７５ｘ＋()０ ０００４９９８９Ｔ＋１ ６６２４ｘ－()０ ２７５４７
αＴ＝
Ｋ
Ｅ
Ｔ
－Ｅｇ()＋ｃ２－ｃ槡
２
ＥＴ－Ｅｇ
()＋ｃＥＴ
通过拟合数据，得出一组Ｋ和ｃ的经验表达式：Ｋ＝５７４００Ｅｇ＋６７２６０；ｃ＝０ ５６６６７Ｅｇ＋
０ ００１３３３３如图３所示为利用上述非抛物线型的吸收系数模型得到的中波碲镉汞材料Ｈｇ０ ７Ｃｄ０ ３Ｔｅ的吸收系数与波长的关系。本模拟将根据上述模型确定不同组分碲镉汞材料的吸收系数α随入射光波长的关系，以表格的形式代入运算中。其他仿真参数如下：
禁带宽度：Ｅｇ＝－０ ３０２＋１ ９３ｘ－０ ８１ｘ２＋０ ８３２ｘ３＋５ ３５×１０－４
１－２()ｘ
Ｔ介电常数：εｓ＝２０－９ ４ｘ电子有效质量：
ｍ
ｅ
ｍ０＝－０ ６＋６ ３３３２Ｅｇ＋１Ｅｇ＋
()[]
１－１
空穴有效质量：ｍ
ｈ
ｍ０
＝０ ５
电子亲和势：Ｆ＝４ ２３－０ ８１３Ｅｇ
－()０ ０８３电子迁移率：μｅ
＝９×１０４
剥离力测试方法
（０ ２ｘ
）７ ５
×Ｔ－２（０ ２／ｘ）
０ ６空穴迁移率：μｈ＝０ ０１μｅ
３ 模拟计算结果与分析
零偏时和工作电压下中波器件能带图如图４，零偏时和工作电压下长波器件能带图如图５所示。从图４和图５可以看出，当ｎ型碲镉汞材料的掺杂
浓度达到３×１０１７
ｃｍ－３时，材料进入简并状态，费米
能级进入导带之上，这是因为碲镉汞材料的导带能太密度低、电子有效质量小（０ ０３ｍ０），导致中等ｎ型掺杂浓度就降使得材料进入简并状态。同时，发现对于长波碲镉汞材料，由于禁带很窄，使得耗尽区能带弯曲强烈，载流子隧穿的势垒宽度很窄，直接导致隧穿电流增加，器件暗电流增加。
４
７４１激光与红外 第５０卷
（ａ）
零偏时
（ｂ）工作电压时
图４
零偏时和工作电压时中波器件能带示意图Ｆｉｇ ４Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｏｆｔｈｅｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｖｉｃｅａｔｚｅｒｏｂｉａｓａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇ
ｅ
（ａ）
零偏时
（ｂ）工作电压时
图５ 零偏时和工作电压时长波器件能带示意图Ｆｉｇ ５Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｏｆｔｈｅｌｏｎｇ ｗａｖｅ
ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｖｉｃｅａｔｚｅｒｏｂｉａｓａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅ
高速路收费系统 外置偏压为－１Ｖ时，中波像元电流随波长的关系如图６所示。外置偏压为－０ ５Ｖ时，长波像元电流随波长的关系如图７所示。器件所加光装为
０ ０２Ｗ／ｍ２
，纵坐标单位为Ａ／ｍ，这是因为器件模拟
为二维结构，在未设置几何尺寸的Ｚ方向存在一个未知变量。
如图６所示，
中波像元在波长小于５μｍ时存在光响应，并且随着波长减小响应减小，这是因为波
长越小其吸收系数越大，光的穿透深度越小，产生的光生载流子距离结区较远，很难被电极收集，所以量
子效率低。
图６ 中波像元电流随波长的关系Ｆｉｇ ６Ｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｐｉｘｅｌｃｕｒｒｅｎｔ
ａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ
如图７所示，长波像元在波长大于４ ５μｍ时存在光响应，并且随着波长减小响应减小。同时发现存在干涉震荡，这是因为多层材料结构形成干涉。同时发现器件对波长大于１０μｍ的光存在响应，这
是由于吸收带尾效应引起的。
图７ 长波像元电流随波长的关系
Ｆｉｇ ７Ｌｏｎｇ ｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｐｉｘｅｌｃｕｒｒｅｎｔａｓａｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ
实际器件的光谱响应是光电流部分，如图６和图７所示电流为电极上总的电流，
应该减去暗电流，同时单位应该考虑器件为３０μｍ中心距。如图８所示为归一化之后的光谱响应率曲线。
５
７４１激光与红外 Ｎｏ．１２ ２０２０ 吴亮亮等 中长波双碲镉汞红外探测器器件模拟与分析
图８ 归一化光谱响应曲线Ｆｉｇ ８Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｃｕｒｖｅ
３ １ 中波吸收层厚度对光谱串音的影响
首先研究了器件的中波吸收层厚度对光谱串音的影响，器件结构如图１所示。光谱串音分为中波对长波的串音（ＭＷ ＬＷ）和长波对中波的串音（ＬＷ ＭＷ）
，中波对长波的串音为长波像元响应信号中的中波红外光响应占长波红外光响应的比例；长波对中波的串音为中波像元响应信号中的长波红外光响应占中波红外光响应的比例。中波红外与长波红外以５μｍ为分界线。如图９所示中波（ａ）和长波（ｂ）像元的量子效率随中波层厚度变化的关系，如图１０所示光谱串音随中波层厚度变化的关系。随着中波层厚度从４μ
ｍ增加至８μｍ，中波对长波的串音逐渐减小，这是因为中波层厚度增加将中波红外光的吸收，使得长波像元中的中波响应减小，从而使得中波对长波的串音减小。同时随着中波层厚度增加，长波对中波的串音线性增大，这是因为随着中波层厚度增加，其厚度超过波长较短的红外光的透射深度与少子扩散长度之后，导致光生载流子被电路收集的数量减小，所以最终串音增大。同时考虑中波对长波的串音、长波对中波的串音，最终器件选择中
波层厚度为６μｍ
。
图９ 中波和长波像元的量子效率随中波层厚度变化的关系
Ｆｉｇ ９Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｑｕａｎｔｕｍｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｍｅ
ｄｉｕｍ ｗａｖｅ
图１０ 光谱串音随中波层厚度变化的关系Ｆｉｇ １０Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｐｅｃｔｒａｌｃｒｏｓｓｔａｌｋ
ａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｍｅｄｉｕｍ ｗａｖｅｌａｙｅｒ
３ ２ 阻挡层组分对光谱串音的影响
其次研究了器件的阻挡层组分对光谱串音的影响，器件结构如图１所示。如图１１所示中波（ａ）和长波（ｂ）像元的量子效率随阻挡层组分变化的关系，阻挡层厚度为０ ２μｍ。如图１１所示阻挡层组分
增加不影响中波像元的光谱响应，长波对中波的串音为２
０８％。６
７４１激光与红外 第５０卷
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