基于光子晶體限光效應(yīng)的焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光子晶體限光效應(yīng)的焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。在器件模擬中發(fā)現(xiàn)，在典型的n+-on-p平面結(jié)上進(jìn)行刻蝕，形成周期性光子晶體，從而將占空比降低到0.4時(shí)，器件的量子效率能保持不變，而隨著有效體積的減小，暗電流會(huì)下降70%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，該種利用光子晶體人工微結(jié)構(gòu)的限光效應(yīng)提高光吸收效率并降低暗電流的HgCdTe中長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)，在維持原有的光響應(yīng)特性不變的情況下，由于暗電流的降低，而提高了器件的整體性能，同時(shí)這種周期性結(jié)構(gòu)與焦平面陣列相兼容，顯著降低紅外焦平面探測(cè)器的讀出電路的制作難度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于光子晶體限光效應(yīng)的焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體紅外光探測(cè)器件性能的設(shè)計(jì)和測(cè)量，具體是指一種在HgCdTe中、長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器的設(shè)計(jì)制作中利用光子晶體這類(lèi)人工微結(jié)構(gòu)的限光效應(yīng)提高光吸收效率并降低暗電流的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碲鎘汞(HgCdTe)作為一種窄禁帶半導(dǎo)體，通過(guò)調(diào)節(jié)其Cd組分值x可以連續(xù)改變禁帶寬度(-0.3?1.6eV)，這樣調(diào)整得到的材料響應(yīng)波長(zhǎng)很好地適應(yīng)了紅外技術(shù)需求的幾個(gè)大氣窗口(短波I?3 μ m、中波3?5 μ m和長(zhǎng)波8?14 μ m)。基于HgCdTe材料的光電探測(cè)器在軍事偵察和航天遙感等領(lǐng)域具有重要的國(guó)家戰(zhàn)略需求和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)器件性能要求也很高。人們?cè)趥鹘y(tǒng)的光伏型器件的基礎(chǔ)上提出了許多改進(jìn)，例如利用超材料、nBn結(jié)構(gòu)、HDVIP結(jié)構(gòu)等方法，提高探測(cè)能力。但是這些都不足以從根本上改善器件的暗電流特性。
[0003]HgCdTe光電探測(cè)器的性能受暗電流機(jī)制影響很大，比如衡量探測(cè)器性能的重要指標(biāo)一零偏壓動(dòng)態(tài)電阻面積乘積(RtlA)直接由暗電流決定。而暗電流又對(duì)于制造工藝和材料性質(zhì)很敏感，因此研究暗電流特性，分析其構(gòu)成機(jī)制及與對(duì)應(yīng)材料參數(shù)的關(guān)系，是器件研制過(guò)程和性能改進(jìn)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。相比短波器件，中、長(zhǎng)波HgCdTe探測(cè)器材料的禁帶寬度要更小，器件漏電流成份將顯著增加、漏電物理機(jī)制會(huì)更加復(fù)雜，對(duì)器件制備工藝提出了更高的要求。
[0004]為了解決上述的問(wèn)題，本發(fā)明利用光子晶體這類(lèi)人工微結(jié)構(gòu)的陷光原理，提出了一種在制作中引入周期性的臺(tái)柱或者孔洞形成光子晶體結(jié)構(gòu)，在保證紅外探測(cè)器量子效率的基礎(chǔ)上降低器件的填充比，從而通過(guò)減少探測(cè)器光敏元材料體積的方式，解決困擾HgCdTe紅外探測(cè)器的暗電流噪聲過(guò)大的問(wèn)題，提高器件的噪聲等效溫差。
[0005]這樣，通過(guò)對(duì)引入光子晶體結(jié)構(gòu)調(diào)控的新型器件結(jié)構(gòu)HgCdTe焦平面紅外探測(cè)器進(jìn)行數(shù)值模擬和分析以得到合適的工藝方案和最佳的工藝參數(shù)，其結(jié)果將為揭示工藝環(huán)節(jié)與特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)性、獲得人工光子微結(jié)構(gòu)形狀和尺寸影響暗電流的內(nèi)在物理機(jī)制以及提高第三代HgCdTe焦平面紅外探測(cè)器性能提供理論和技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供了一種利用光子晶體結(jié)構(gòu)提高HgCdTe中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器性能的設(shè)計(jì)方法，該方法通過(guò)模擬得到該種新型結(jié)構(gòu)的探測(cè)器件量子效率和暗電流隨各種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)變化的曲線(xiàn)，從而得到了為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的最佳參數(shù)值。其設(shè)計(jì)方法步驟如下:
[0007]1.構(gòu)建二維n+-on-p型HgCdTe光伏探測(cè)器件，η區(qū)收集層(2)摻雜濃度為IXIO1W3jP區(qū)吸收層(3)摻雜濃度為9X1015cm_3，襯底材料(4)為Si，同時(shí)η區(qū)和ρ區(qū)分別安裝電極(I)、(5)以測(cè)量輸出電壓信號(hào)；
[0008]2.構(gòu)建物理模型:本數(shù)值模擬中利用了時(shí)域有限差分進(jìn)行光學(xué)模擬和有限元數(shù)值方法進(jìn)行電學(xué)模擬。光學(xué)模擬的基本方程是麥克斯韋方程組，得到的光場(chǎng)分布通過(guò)與材料電導(dǎo)率相關(guān)的理論方程可計(jì)算轉(zhuǎn)換為載流子產(chǎn)生率分布。電學(xué)模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續(xù)性方程、電子輸運(yùn)方程，之前得到的載流子產(chǎn)生率作為光響應(yīng)加入方程。表面復(fù)合也可加入方程，包括SRH復(fù)合、Auger復(fù)合和輻射復(fù)合，同時(shí)還要考慮到載流子的熱效應(yīng)、高場(chǎng)飽和效應(yīng)，用有限元方法離散化聯(lián)立迭代求解，勢(shì)壘的隧穿效應(yīng)為獨(dú)立方程，與上述方程自洽求解；
[0009]3.調(diào)節(jié)物理參數(shù)，在中波4μπι左右時(shí)為200K，長(zhǎng)波8μπι左右時(shí)為77K的固定模擬環(huán)境溫度下，外加入射光垂直背入射，經(jīng)過(guò)襯底到達(dá)結(jié)區(qū)，激發(fā)產(chǎn)生光電流信號(hào)。光功率恒為0.001W/cm_2，在單一波長(zhǎng)下，改變各材料層的厚度，其中主要是改變?chǔ)褏^(qū)吸收層厚度，η區(qū)厚度在HgCdTe不變時(shí)可以不做改變，對(duì)應(yīng)4 μ m波長(zhǎng)的器件時(shí)固定為1.75 μ m,對(duì)應(yīng)8 μ m波長(zhǎng)的器件時(shí)固定為3 μ m，得到響應(yīng)率最高時(shí)的最佳厚度。
[0010]4.改變各單元柱狀結(jié)構(gòu)的寬度，由數(shù)值模擬得到器件量子效率隨填充比改變范圍在0.15?0.85之間變化的曲線(xiàn)；
[0011]5.在無(wú)光條件下，得到對(duì)應(yīng)4中的暗電流隨填充比變化的曲線(xiàn)；
[0012]6.改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的單元周期寬度a，重復(fù)步驟4)、5)，得到周期寬度a在5 μ m、6 μ m、7 μ m、8 μ m、9 μ m、10 μ m和12 μ m時(shí)的量子效率和暗電流隨填充比波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)。通過(guò)曲線(xiàn)分析，可獲得最佳的單元周期參數(shù)；
[0013]7.改變?nèi)肷涔獠ㄩL(zhǎng)，重復(fù)3)?6)的步驟，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)最佳周期a是對(duì)于波長(zhǎng)的變化是比較敏感的。這樣一來(lái)，可以計(jì)算得到中長(zhǎng)波HgCdTe探測(cè)器在采用這種光子晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，不同周期下的量子效率和暗電流隨占空比變化的曲線(xiàn)，從而獲取此種光子晶體結(jié)構(gòu)的中波及長(zhǎng)波器件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵幾何參數(shù)。
[0014]8.制備中波器件。先采用MBE技術(shù)，在硅襯底上生長(zhǎng)Cd組分為x=0.275的ρ型HghCdxTe材料，其中砷摻雜或者汞空位摻雜的濃度為為9Χ 1015cm_3，對(duì)應(yīng)入射波長(zhǎng)為4μ m時(shí)的厚度為7 μ m。另外再經(jīng)過(guò)B+注入形成η區(qū)。接著利用低溫干法刻蝕，對(duì)應(yīng)前述微結(jié)構(gòu)尺寸和深度要求，得到單元柱狀結(jié)構(gòu)周期分別為5 μ m、6 μ m、7 μ m、8 μ m、9 μ m、10 μ m和12 μ m材料。之后長(zhǎng)ZnS和CdTe雙層鈍化膜、鍍金屬電極和制備銦柱。從而獲得基于光子晶體微結(jié)構(gòu)的Π+-ΟΠ-Ρ型HgCdTe紅外焦平面探測(cè)器樣品。
[0015]9.選取截止波長(zhǎng)4 μ m作為入射光波長(zhǎng)，光功率恒為0.001W/cm_2，使入射光分別垂直照射到步驟8中所述不同組樣品的測(cè)量區(qū)域，即吸收層，采用傅立葉光譜儀NEXUS 670測(cè)量樣品在200K溫度下的響應(yīng)光譜曲線(xiàn)，通過(guò)分別采集光路背景和含背景的器件響應(yīng)，再經(jīng)儀器自動(dòng)扣除背景來(lái)完成光譜測(cè)量；
[0016]10.步驟9中所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與步驟3?7中所得到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可獲取最佳設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)。
[0017]這樣一來(lái)，可以計(jì)算指定光照下該種光子晶體結(jié)構(gòu)的HgCdTe探測(cè)器的量子效率和暗電流隨幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，從而為改善器件性能和優(yōu)化器件設(shè)計(jì)提供有針對(duì)性的方案。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為模擬的器件結(jié)構(gòu)，通過(guò)周期性柱形單元形成光子晶體結(jié)構(gòu)的n+-on-p型的HgCdTe紅外焦平面探測(cè)器。圖中I為收集層單元電極，2為η型HgCdTe收集層，3為ρ型HgCdTe吸收層，4為硅襯底，5為吸收層公共電極
[0019]圖2為不同周期a下量子效率隨填充比變化的曲線(xiàn)。
[0020]圖3為不同周期a下暗電流隨填充比變化的曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)明:
[0022]本發(fā)明所研究的器件為二維n+-on-p型HgCdTe光伏探測(cè)器件，η區(qū)摻雜濃度為I X IO17Cm-3, ρ區(qū)摻雜濃度為9Χ 1015cm_3,襯底材料為Si,同時(shí)ρ區(qū)安裝公共電極、η區(qū)按單元分別安裝電極以測(cè)量輸出電壓信號(hào)；見(jiàn)圖1。
[0023]ρ-η結(jié)光伏探測(cè)器是使ρ-η結(jié)接受光照射而獲取能量。當(dāng)紅外光照射到ρ_η結(jié)時(shí)，結(jié)及其附近的P型半導(dǎo)層體吸收光能，價(jià)帶電子受激躍遷至導(dǎo)帶形成自由電子，而在價(jià)帶則相應(yīng)地形成自由空穴，這些少數(shù)載流子在Ρ-η結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，電子移向η區(qū)，而空穴則移向P區(qū)，結(jié)果使半導(dǎo)體的P區(qū)帶正電，η區(qū)帶負(fù)電,使ρ-η結(jié)產(chǎn)生光生伏特,進(jìn)而形成紅外探測(cè)器的光響應(yīng)。
[0024]同時(shí)，在探測(cè)器器件表面使用臺(tái)柱或者孔洞形成周期性結(jié)構(gòu)，當(dāng)光從下表面垂直入射時(shí)，光子在周期結(jié)構(gòu)中經(jīng)歷多重散射，形成光子晶體能帶；該能帶上對(duì)應(yīng)的每個(gè)頻率都是能夠把低能量的長(zhǎng)波光子局域在高折射率的介質(zhì)中的光子晶體本征共振模，于是實(shí)現(xiàn)了等效于入射光在介質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的全反射來(lái)局域光子，從而在維持量子效率不變的同時(shí)減少器件的體積，降低暗電流。
[0025]通過(guò)研究該器件的光場(chǎng)分布可以發(fā)現(xiàn)這種人工微結(jié)構(gòu)的陷光效應(yīng)。從光場(chǎng)分布圖可以看出，當(dāng)填充比較小時(shí)，光很大一部分都漏到了結(jié)區(qū)以外而沒(méi)有被探測(cè)器有效吸收；當(dāng)填充比較達(dá)到0.45附近時(shí)，光被有效地局限在了有材料填充的區(qū)域而沒(méi)有被浪費(fèi)。
[0026]圖2表示的是不同周期a下量子效率和暗電流隨填充比變化的曲線(xiàn)。對(duì)于圖示情況，入射波長(zhǎng)為4 μ m的中波，在結(jié)構(gòu)單元周期為a=5?7 μ m時(shí)得到了匹配，從而正是由于圖2所示現(xiàn)象，才使得量子效率隨填充比下降時(shí)先維持一個(gè)較高的穩(wěn)定值。待填充比降到0.45左右時(shí)，才開(kāi)始下降，并且a=5 μ m時(shí)能保持一個(gè)較寬的量子效率穩(wěn)定范圍。再由圖3的對(duì)應(yīng)暗電流變化情況可以看出，在量子效率保持穩(wěn)定范圍的內(nèi)，暗電流是隨著填充比降低幾乎線(xiàn)性下降的。對(duì)于響應(yīng)光波長(zhǎng)為8 μ m的長(zhǎng)波同類(lèi)光子晶體結(jié)構(gòu)器件，計(jì)算也得到了類(lèi)似結(jié)果。這說(shuō)明此類(lèi)利用了光子晶體結(jié)構(gòu)的限光效應(yīng)的HgCdTe紅外探測(cè)器確實(shí)能實(shí)現(xiàn)改善中波、長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器的性能的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光子晶體限光效應(yīng)的紅外焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟: 1)使用模擬軟件構(gòu)建二維n+-on-p型HgCdTe光伏探測(cè)器件，η區(qū)收集層(2)摻雜濃度為lX1017cm_3，p區(qū)吸收層(3)摻雜濃度為9X1015cm_3，襯底材料(4)為Si，同時(shí)η區(qū)和p區(qū)分別安裝電極(I)、(5)以測(cè)量輸出電壓信號(hào)； 2)構(gòu)建物理模型:本數(shù)值模擬中利用了時(shí)域有限差分進(jìn)行光學(xué)模擬和有限元數(shù)值方法進(jìn)行電學(xué)模擬。光學(xué)模擬的基本方程是麥克斯韋方程組，得到的光場(chǎng)分布通過(guò)與材料電導(dǎo)率相關(guān)的理論方程可計(jì)算轉(zhuǎn)換為光生載流子產(chǎn)生率分布。電學(xué)模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續(xù)性方程、電流密度方程，再結(jié)合之前得到的光生載流子產(chǎn)生率作為光響應(yīng)產(chǎn)生復(fù)合項(xiàng)加入到連續(xù)性方程中；其他產(chǎn)生復(fù)合模型包括SRH復(fù)合、Auger復(fù)合和輻射復(fù)合，表面復(fù)合。同時(shí)還要考慮到窄禁帶半導(dǎo)體的陷阱輔助隧穿和帶到帶隧穿效應(yīng)，最后，用有限元方法離散化聯(lián)立迭代求解； 3)調(diào)節(jié)物理參數(shù)，固定模擬環(huán)境溫度，外加入射光垂直背入射，經(jīng)過(guò)襯底到達(dá)結(jié)區(qū)，激發(fā)產(chǎn)生光電流信號(hào)，在單一波長(zhǎng)固定功率的入射光條件下，改變各材料層的厚度，主要是P區(qū)吸收層厚度，得到響應(yīng)率最高時(shí)的最佳厚度； 4)在步驟3)的基礎(chǔ)上，改變各單元柱狀結(jié)構(gòu)的寬度，由模擬得到器件量子效率隨填充比變化的曲線(xiàn)； 5)在無(wú)光條件下，得到對(duì)應(yīng)3)中的暗電流隨填充比變化的曲線(xiàn)； 6)改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的周期寬度，重復(fù)步驟4)、5)，得到一系列不同周期下量子效率和暗電流隨填充比波長(zhǎng)變化的曲線(xiàn)，從而獲得最佳的單元周期參數(shù)； 7)改變?nèi)肷涔獠ㄩL(zhǎng)，重復(fù)3)?6)的步驟，可以研究波長(zhǎng)和最佳周期的關(guān)系，特別是對(duì)于從中波器件變?yōu)殚L(zhǎng)波器件的情形，需同時(shí)調(diào)整P區(qū)吸收層和η區(qū)收集層的厚度，得到該組分的HgCdTe紅外探測(cè)器在設(shè)定入射波長(zhǎng)下的各層最佳厚度； 8)制備中波器件樣品。先采用MBE技術(shù)，在硅襯底上生長(zhǎng)Cd組分為χ=0.275的ρ型HghCdxTe材料，其中砷摻雜或者汞空位摻雜的濃度為9Χ 1015cm_3，對(duì)應(yīng)入射波長(zhǎng)為4μ m時(shí)的厚度為7 μ m ;另外再經(jīng)過(guò)B+注入形成η區(qū)，接著利用低溫干法刻蝕，得到不同單元柱狀結(jié)構(gòu)周期的材料，之后長(zhǎng)ZnS和CdTe雙層鈍化膜、鍍金屬電極和制備銦柱，從而獲得基于光子晶體微結(jié)構(gòu)的Π+-ΟΠ-Ρ型HgCdTe紅外焦平面探測(cè)器樣品； 9)選取截止波長(zhǎng)4μ m作為入射光波長(zhǎng)，光功率恒為0.0OlW/cm—2，使入射光分別垂直照射到步驟8中所述不同組樣品的測(cè)量區(qū)域，即吸收層，獲得測(cè)量樣品在200K溫度下的響應(yīng)光譜曲線(xiàn)； 10)步驟9中所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與步驟3?7中所得到的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可獲取提高器件性能的最佳設(shè)寸參數(shù)。
【文檔編號(hào)】H01L31/102GK103681937SQ201310591022
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】胡偉達(dá), 梁健, 葉振華, 陳效雙, 陸衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所