文章编号:1672-8785(2021)01-0001-05
p-i-n In&InGaAs
电流及电容特性研究
夏少杰陈俊"
(苏州大学电子信息学院，江苏苏州215006)
摘要：为了实现高灵敏度探测，红外探测器需要得到优化&利用Silvaco 器
件仿真工具研究了 p-i-n 型InP/Ino. 53Ga 0.47As/In 0. 53Ga °. 47A s 光电探测器的结构, 并模拟了该结构中吸收层浓度和台阶宽度对暗电流以及结电容的影响&结果表 明，随着吸收层掺杂浓度的逐渐增大，器件的暗电流逐渐减小，结电容逐渐增 大。当台阶宽度变窄时，器件的暗电流随之减小，结电容也随之变小。最后研 究了光强和频率对器件结电容的影响&在低光强下，器件的结电容基本不变； 当光强增大到1 W /m 2时，器件的结电容迅速增大&器件的结电容随频率的升 高而减小，其 & 关键词：近红外光电探测器；InP/InGaAs ；暗电流；结电容
中图分类号：TN362
文献标志码：A DOI ： 10.3969/j.issn.1672-8785.2021.01.001
Research on Current and Capacitance Characteristics
of p-i-n In&InGaAs Photodetector
碳膜电位器
XIA Shao-jie ，CHEN Jun *
仿呢料
*收稿日期：2020-08-28
基金项目：国家自然科学基金项目(61774108)
作者简介：夏少杰(1995-)，男，江苏苏州人，硕士生，主要从事红外光电器件研究。
*通讯作者:E-mail ： ****************
(.School of Electronic and Information Engineering ，Soocho2 University ，Suzhou 215006，China )
Abstract : In order to achieve high sensitivity detection ，infrared detectors need to be optimized. Based on the Silvaco device simulation tool, the photoelectric characteristics of p-i-n InP/IriQ,53GaQ,47As/In 0.53GaQ,47As photode
tector is analyzed. The effects of absorption concentration and mesa width on dark current and junction capaci tance in the structure are simulated. The results show that as the doping concentration of the absorption layer
gradua <yincreases ，thedarkcu r entofthedevicegradua <ydecreases ，andthejunctioncapacitancegradua <y increases. When the mesa width becomes narrower ，the dark current of the device decreases ，and the junction
capacitance becomes smaller. Finally ，the effect of light intensity and frequency on the device junction capaci tance is studied. At low light intensity ，the device junction capacitance is basically unchanged. When the light intensityincreasesto1 W /cm 2!thedevicejunctioncapacitanceincreasesrapidly2Thedevicejunctioncapaci-
tance increases with frequency decreasing. The peak is caused by defect levels.
Key words:near-infrared photodetector；InP/InGaAs；dark current；junction capacitance
0引言
随着红外探测技术的不断发展，红外探测器作为该技术中最核心的部分也发展极为迅猛&红外探测器可将人类肉眼不可见的红外辐射能转换为可测量的能量！其研究最重要的是材料和器件结构的选择。用于制备红外探测器的材料多种多样，例如HgCdTe(InGaAs(Si等&近年来，InGaAs材料备受关注，已被广X应用于红外成像、太空监测、无人等光电领域&通过改变InGaAs材料中的In组分，能1〜3^m波段的红外行探测。该材料具有工艺水平成熟、无需制冷、探测器等&用InGaAs/InP材料制备的p--n型光电二极管在通信领域应用广泛，对13 l^m和1.55^m两个特定波段的红外光有很高的应，是的红外件)01&i 用InGaAs材料制备的红外探测器有很多缺，暗电不下、等都是制约其发展的不&
用研究了一种p-i-n 型InP/In0.53Ga.47As/In0.53Ga.47As探测器在不同吸收层浓度和台阶宽度参数下的暗电流和结电容，并探究和探测器结电容的影响。以降低暗电流和提升响应速度为，改善了器件性能，为
&
1器件结构与仿真模型
本文设计了一种p--b型InP/In0.53G30.47—As/In.53Ga.47As探测器(其结构见图1)。该探测器采用结构，
其中底层是BP衬底，第二层是厚度为50nm的2(5X10/ cm3))nP缓冲层，第三层是厚度为200nm的n+(5X10/cm3)InGaAs层，第四层是厚度为300nm的rT(5X10/cm3)InGaAs本征吸收层，顶层是厚度为200nm的p+(1X107cm3)InP层。顶部和两侧电极分别是P型和r型接触，顶部台阶宽度为40^m，底部宽度为100冲口2*&
图1红外探测器的结构示意图
本文首先在Silvaco-TCAD软件中构建了InP/InGaAs探测器结构&表1列出中设置的部分材料参数&用到的物理模型有依赖迁移、平行电场依赖、光学复合模型、俄歇复合模型、Schockley-Read-Hall 复合、能带变窄模型和碰撞离化模型&顶部入射的波长为1550nm，计算方法为Newton 迭代法)3*&
表1仿真模型中的材料参数
参数Ir.53Ga_0.47As InP
带隙/eV0.75 1.35
E态密度/cm-3 2.1X10】7 5.1X1011
E v态密度/cm-37.7X10】7 1.1X1019
电子SRH寿命/s7X10-66X10-12
空穴SRH寿命/s7X10-66X10-12介电常13.912.5
2结果与讨论
本文的目的是降低探测器的暗电流和提升响应速度，即改变吸收层的浓度和台阶宽度，然后加入光照和改变频率，并对比探测器的暗电流和结电容的变化，从化结构&
2.1改变吸收层的浓度
图2(a )给出了暗电流随吸收层掺杂浓度
的变化趋势(掺杂浓度分别为5X10#cm3、1X
101ycm\5X101ycm 3)o 可以看出，暗电流随着
掺杂浓度的上升而减小。在一0.6V 偏压下,
三者的暗电流分别为4. 5X10-8A/cn?、4X
10-8A/cm 3、2 X 10一8 A/cm 3，暗电流下降了 2.25倍。因此在选择1层掺杂浓度时，适当提
高吸收层的掺杂浓度，有助于降低暗电流。
通过器件的电场图可对暗电流不同的原因
进行解释。式(1)为反偏时总的电流密度公式。
其中，J 代表反向饱和电流密度，J g 代表产生
电流密度。因为反向饱和电流密度由温度决
定，所以总电流密度由产生电流决定。式(2)
为产生电流密度公式。其中，幺代表电子电荷,家庭供暖系统
G 代表电子空穴对的产生率，A 代表空间耗尽
层的宽度。可以看出，产生电流与耗尽层宽度
成正比。
J r =J g +J
(1%
(2
(3%
「2$］凡 )(%—V )1/2—! eN a N d
_
式(3)为空间耗尽层宽度公式。其中，！
和！分别代表两种材料的介电常数，N 。和N d 分别代表P 区的空穴浓度和n 区的电子浓度, V d 代表
电势差，V 代表外加偏压。空间耗
尽层的宽度与接触电势差成正比。图2(b )为
掺杂
化时的电场 。 可 看出
耗尽
没有被完全耗尽，而且随着掺杂浓度
的 ， 的电场减 。
电势差
下降，导致耗尽 窄。由于耗尽层的宽
正比于产生电 ， 所 产生电
，
电
。
3给出了器件的结电容值随吸收层浓度
的变化趋势。当 从5X 10/cm 3上到5 X 10/cm 3时，器件的电容值呈上升趋
势。结电容公式为
(g v v )A u a l m u
Vbltage/V
(W 、A O I X )、P @J 2
言
m
—■—5xl015/cm 3
—
lxl016/cm 3a -5xl016/cm 3
3 2
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Distance in verical direction/pim
图2不同的吸收层掺杂浓度下的暗电流(>)和电场
分布(b)
5 4
式中，比代表半导体材料的介电常数，J 代表 有效接触面积,A 代表耗尽层的
&由上
面的结论可知，耗尽层的宽度随
掺杂浓
度的
窄，器件结电容反比于耗尽层的;
的掺杂
越高，结电容越大。
从微 来看，当 的掺杂
时，窄的耗尽
有利于自由 子
对结电容贡献更大&器件的响应速度取决于香皂包装
RC 延迟时间&结电容越小，响应速度越快。
在选择吸收层的掺杂浓度时，需要综合考虑暗 电流和结电容所带来的
，在尽可能减 ：
电流的同时提升响应速度&
2.2改变台阶宽度
如图4所示，通过改变结构中的台阶宽度
来观察暗电流的变化情况。台阶包括P 层BP
和口―层InGaAs ，台阶宽度分别为40屮、
Vbltage/V
图3不同吸收层浓度下的电容（频率为10GHz）
1E-10-
1E_1-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.6
Vbltage/V
船用卫星电视天线
图4不同台阶宽度下的暗电流
50pm、60pm、70^m和80^m o从图中能够看到，随着的增大，器件的暗电流上&中加入些缺陷态。暗电流包括复合电流和表面漏电流。器件表面缺陷态的存在使表面漏电流增大。台阶越宽，带来的缺陷越多，导致暗电流上升。
5给出了器件电容值随台阶宽度的变化趋势。当从80^m下降到40^m时，器件的结电容呈下降趋势。在一0.4V偏压下，从2.5nF下降到1.5nF o由式（4）可知，结电容与有效接触面积成正比。接触面积变大时，更多的自由子在外加偏压条件：过结区，导致结电大。
23光强及频率对器件电容变化的影响图6给出了在无光照以及不同光强条件下器件电容值的变化趋势。其中，大小分别为0.01W^cm2、0.1W^cm2、1W^cm2、5W# cm2和10Wycm—当光强小于0.1W^cm2时,
-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8 1.0
Vbltage/V
图6不同光强下的电容(频率为10GHz)
结电容在有无光照条件下基本没有变化。当光强为1W^cm2时，在0〜0.4V区间内，结电容变大。当光强为5W^cm2和10W#W、偏压在0.4V以下时，结电容迅速上升。在同一，结电区间是上升的。式（5）
为总电容公式，其中G和G分代表电容和势垒电容。
C=C d+C t
_______!!2N a N d_______
2$F a+!2N d)G d-V)
(5)
6)式（6）为势垒电容公式，其中！和！分别代表两种材料的介电常数！N a和N d分代表P层和r层的掺杂浓度，V d代表内建电场, V代表外加偏压。由于电容由少子打在反向偏压和小的正向偏压下可以不予考虑，因此结电容基本由势垒电容决定。由式（6）可}!结电容随外加偏压的增大。这是因
为结电容基于光生载流子的快速移动，而反向偏压生子的移动，正向偏压使光生子的移动加速，所以从负偏压到正偏压时结电容会变大&当光强小于1W c I时，产生的生子，结电
与无光照情况下差别不大&当大于1 V#cm2时，光生子增，光生.子对结电容的迅速上升，结电容增大&
7给出了不的电化趋势。其中，频率分别为100kHz、1MHz、10MHz、100MHz、1GHz和10GHz。在同一电压下，结电容随着频率的减小。中也能看到的当电压在0.5〜1V|内时，结电容的变化趋势&其中，当偏压为0.9V时，电容值分别为77nF、74nF、40nF、18nF、18nF和1.5nF。在高频时，热离子发射速度跟不上高频信号的变化，电荷电效应减弱，结电容减小。在低频时，热离子发射上信号的变化，电荷电效应增强，结电容增大。在正向偏压下，峰值的产生与电容有关；偏压下，结电容由势垒
电容决定&当正向偏压增大时，能近缺陷能级，电荷从价带跃迁到导带的与被缺陷能级所的当，电荷结电容的到最大。当正向偏压继续增大时，能离缺陷能级，电荷大部分被陷能，结电容减小。
v型锚固钉3总结
本文设计了一种p-7n型InP/InosGaw-As/In^Ga^As光电探测器，并模浓度和台阶宽度对探测器暗电流和结电容的影响。结果表明，暗电流随吸收层掺杂浓度的增大，而结电随之增大，需要合理选的掺杂&窄的使陷减少，暗电&结电容与有效面成正比&窄的使有效面「小，结电容更小。最后研究和器件结电容的&，器件的结电化不大；当上升到1H^cm2时，结电容迅速上升&器件的结电容随的。该研究结果为研制低暗电流和高响应速度的p-—n InP/InGaAs光电探测器依据&
参考文献
胡伟达，李庆，陈效双，等.具有变革性特征的
红外光电探测器[J*.物理学报，2019,68(12)：
120701.
谭振，刘世光，田震，等.双层异质结晞镉汞甚
长波红外焦平面探测器研究进展[J*.红外，
2020,41(4)：1-7.
金宇航，黄卫国，张见，等.短波红外锢铢碑探
测器材料表面缺陷研究[J*.红外，2020,41
(3)：1-8.
[4*Zhu L Q，Huang J，Xie Z H,et al.Low-frequency Noise Spectroscopy Characterization of HgCdTe
Infrared Detectors[J*.IEEE Transactions on E
lectron Devices，2020,67(2)：547—551.
[5
*Feng B,Zhu J Y,Lu BR,et al.Achieving Infrared Detection by Al—Si Plasmonic Hot-electron
Detectors with High Detectivity[J*.ACS Nano,
2019,13(7)：8433—8441.
[6*Xia H,Li T X,Tang H J,et al.Nanoscale Imaging of the Photoresponse in PN J unctions of In-
GaAs Infrared Detector[J*.Scientific ReporSs,
2016，6"21544.
[7*Tsuchikawa T,Kaneda H,Ishihara D,et al.Pix-el-basedSpectralCharacterizationof Mid-infrared
SiA r ay Detectorsfor Astronomical observation
in Space[J*.Publication of the Astronomical S--
ciety of the Pacific,2020,132:074502.
(下转第32页)
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议