小像元InSb红外焦平面器件光电性能仿真

摘要：小像元是InSb红外焦平面器件制备的发展方向之一，但其会对器件的光电流响应和串音产生很大影响。因此使用Sentaurus TCAD 软件建立了小像元InSb红外焦平面阵列器件的台面结器件模型、平面结器件模型和外延结构器件模型，采用背照射的3个像素单元的InSb阵列器件仿真了3种器件结构的光电流响应和串音。结果表明，台面结器件和平面结器件可以通过减小器件厚度和增加结深的方法来增加光电流响应和减少串音;外延结构器件可以通过增加吸收层厚度和选择合适的掺杂浓度来改善光电流响应和串音。综合考虑工艺难度影响，对小像元InSb红外焦平面阵列器件，建议采用深离子注入的平面结结构和采用分子束外延制备的厚度和掺杂浓度可控的外延结构。

关键词：InSb;小像元;红外探测器;电流响应率;串音;Sentaurus TCAD

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，5～8μm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，77K时仅为0.23eV，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Si_xN_y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7.5μm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7.5μm，其中沟道宽度为1.5μm，光敏面大小为5μm。入射光只照射中间像元，即像元2，入射光截止波长为5.5μm，光功率为0.0001W/cm²，温度77K。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。

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600nm厚的n型（掺Te）的缓冲层，然后外延n型吸收层和400nm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1～2μm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1～8μm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

Δ²ψ=q（n-p+N_A-N_D）ε_s（1）

nt=G-R+1qΔ·J_n（2）

pt=G-R-1qΔ·J_p（3）

J_n=qμ_nnE_n+qD_nΔn（4）

J_p=qμ_ppE_p+qD_pΔp（5）

Gphoto=J（x， y， z₀）·α（λ，  z）×

exp-∫^zz₀α（λ，  z）dz（6）

RSRH=A（np-n²_i）（7）

RAuger=（Cnn+Cpp）（np-n²_i）（8）

式中：ψ为静电势;R为复合率;q为基本电荷;ε_s为半导体介电常数;t为时间; n，  p分别为电子和空穴浓度;N_A，  N_D为受主和施主浓度;J_n，J_p，μ_n，μ_p，D_n，D_p，E_n，E_p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。

当选择器件厚度为10μm，沟道深度为1μm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。

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10μm时，将结深做到8μm，可以得到大于6.0A/W的电流响应率和小于10%的串音。与沟道深1μm、减薄到10μm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