p-i-n InPInGaAs光電探測器的電流及電容特性研究

2023年12月13日發(fā)(作者：日本姓名)

-

第42卷，第1期文章編號:1672-8785(2021)01-0001-05紅外1p-i-n

In&InGaAs光電探測器的

電流及電容特性研究夏少杰陳俊"(蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇蘇州215006)摘要：為了實現(xiàn)高靈敏度探測，紅外探測器需要得到優(yōu)化&利用Silvaco器

件仿真工具研究了

p-i-n型InP/Ino.

53Ga0.47As/In0.

53Ga°.

47As光電探測器的結(jié)構(gòu),

并模擬了該結(jié)構(gòu)中吸收層濃度和臺階寬度對暗電流以及結(jié)電容的影響&結(jié)果表

明，隨著吸收層摻雜濃度的逐漸增大，器件的暗電流逐漸減小，結(jié)電容逐漸增

大。當臺階寬度變窄時，器件的暗電流隨之減小，結(jié)電容也隨之變小。最后研

究了光強和頻率對器件結(jié)電容的影響&在低光強下，器件的結(jié)電容基本不變；

當光強增大到1

W/m2時，器件的結(jié)電容迅速增大&器件的結(jié)電容隨頻率的升

高而減小，其

&關(guān)鍵詞：近紅外光電探測器；InP/InGaAs；暗電流；結(jié)電容中圖分類號：TN362

文獻標志碼：A

DOI：

10.3969/.1672-8785.2021.01.001Rearch

on

Current

and

Capacitance

Characteristics

of

p-i-n

In&InGaAs

PhotodetectorXIA

Shao-jie，CHEN

Jun**

(.School

of

Electronic

and

Information

Engineering，Soocho2

University，Suzhou

215006，China)Abstract:

In order to

achieve

high

nsitivity

detection，infrared

detectors

need

to

be

optimized.

Bad

on

the

Silvaco

device

simulation

tool,

the

photoelectric

characteristics

of

p-i-n

InP/IriQ,53GaQ,47As/In0.53GaQ,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

increas.

When

the

mesa

width

becomes

narrower，the

dark

current of

the

device

decreas，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

intensityincreasto1

W/cm2!thedevicejunctioncapacitanceincreasrapidly2Thedevicejunctioncapaci-

tance

increas

with

frequency

decreasing.

The

peak

is

caud

by

defect

levels.收稿日期：2020-08-28基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(61774108)作者簡介：夏少杰(1995-)，男，江蘇蘇州人，碩士生，主要從事紅外光電器件研究。*通訊作者:E-mail：

****************http：///hwInfrared

(monthly)/Vol.42，No.l，Jan

20212紅外Key

words:

near-infrared

photodetector；

InP/InGaAs；

dark

current；

junction

capacitance2021年1月0引言隨著紅外探測技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外探測

器作為該技術(shù)中最核心的部分也發(fā)展極為迅猛&

紅外探測器可將人類肉眼不可見的紅外輻射能

轉(zhuǎn)換為可測量的能量！其研究最重要的是材料

和器件結(jié)構(gòu)的選擇。用于制備紅外探測器的材

料多種多樣，例如HgCdTe(

InGaAs(

Si等&

近年來，InGaAs材料備受關(guān)注，已被廣X應(yīng)用

于紅外成像、太空監(jiān)測、無人

等光電領(lǐng)域&通過改變InGaAs材料中的In組分，能

1?3^m波段的紅外

行探測。該材料具有工藝水平成熟、無需

制冷、探測器

等

&用InGaAs/InP材料制備的p-

-n型光電二極管在通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對13

l^m和1.

55

^m兩個特定波段的紅外光有很高的

應(yīng)，

是

的紅外

件)01&

i用InGaAs材料制備的紅外探測器

有很多缺，暗電

不下、

等都是制約其發(fā)展的不

&用

研究了一種p-i-n型

InP/In0.53Ga.47As/In0.53Ga.47As

探測器在不

同吸收層濃度和臺階寬度參數(shù)下的暗電流和

結(jié)電容，并探究

和

探測器結(jié)電容的影響。以降低暗電流和提升響應(yīng)速度為，改善了器件性能，為&1器件結(jié)構(gòu)與仿真模型本文設(shè)計了一種p--b型InP/In

0.53G30.47

—

As/In.53Ga.47As探測器(其結(jié)構(gòu)見圖1)。該探

測器采用

結(jié)構(gòu)，其中底層是BP襯底，第二層是厚度為50

nm的2

(5X10/

cm3))nP緩沖層，第三層是厚度為200

nm的

n+

(5

X

10/cm3)

InGaAs層，第四層是厚度為

300

nm

的

rT

(5

X

10/cm3)

InGaAs

本征吸收

層，頂層是厚度為200

nm的p+

(1X

107cm3)Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.l,

Jan

2021InP層。頂部和兩側(cè)電極分別是P型和r型接

觸，頂部臺階寬度為40

^m,底部寬度為

100

沖口2*

&圖1紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖本文首先在Silvaco-TCAD軟件中構(gòu)建了

InP/InGaAs探測器結(jié)構(gòu)&表1列出

中設(shè)置的部分材料參數(shù)&用到的物理模型有

依

賴遷移

、平行電場依賴

、光學(xué)復(fù)合

模型、俄歇復(fù)合模型、Schockley-Read-Hall

復(fù)合

、能帶變窄模型和碰撞離化模型&頂

部入射的波長為1550

nm，計算方法為Newton

迭代法)3*

&表1仿真模型中的材料參數(shù)參數(shù)Ir.53Ga_0.47AsInP帶隙/eV0.

751.35E態(tài)密度/cm-32.

1X10】75.

1X1011Ev態(tài)密度/cm-37.

7X10】71.

1X1019電子SRH壽命/s7X10-66X10-12空穴SRH壽命/s7X10-66X10-12介電常13.

912.52結(jié)果與討論本文的目的是降低探測器的暗電流和提升

響應(yīng)速度，即改變吸收層的濃度和臺階寬度,

然后加入光照和改變頻率，并對比探測器的暗

電流和結(jié)電容的變化

，從

化結(jié)構(gòu)&http:

//.

ac.

cn/hw第42卷，第1期紅外32.1改變吸收層的濃度圖2(a)給出了暗電流隨吸收層摻雜濃度

的變化趨勢(摻雜濃度分別為5X10#cm3、1X

101ycm5X101ycm3)o可以看出，暗電流隨著

摻雜濃度的上升而減小。在一0.6V偏壓下,

三者的暗電流分別為4.

5X10-8A/cn?、4X

10-8A/cm3、2

X

10一8

A/cm3，暗電流下降了

2.25倍。因此在選擇1層摻雜濃度時，適當提

高吸收層的摻雜濃度，有助于降低暗電流。通過器件的電場圖可對暗電流不同的原因

進行解釋。式(1)為反偏時總的電流密度公式。

其中，J代表反向飽和電流密度，Jg代表產(chǎn)生

電流密度。因為反向飽和電流密度由溫度決

定，所以總電流密度由產(chǎn)生電流決定。式(2)

為產(chǎn)生電流密度公式。其中，幺代表電子電荷,

G代表電子空穴對的產(chǎn)生率，A代表空間耗盡

層的寬度。可以看出，產(chǎn)生電流與耗盡層寬度

成正比。Jr=Jg+J(1%(2「2$］凡

)(%—V)1/2(3%—!

eNaNd

_式(3)為空間耗盡層寬度公式。其中，！

和！分別代表兩種材料的介電常數(shù)，N。和Nd

分別代表P區(qū)的空穴濃度和n區(qū)的電子濃度,

Vd代表

電勢差，V代表外加偏壓。空間耗盡層的寬度與接觸電勢差成正比。圖2(b)為

摻雜

化時的電場

。

可

看出耗盡

沒有被完全耗盡，而且隨著摻雜濃度的

，

的電場減

。

電勢差下降，導(dǎo)致耗盡 窄。由于耗盡層的寬正比于產(chǎn)生電

，

所

產(chǎn)生電

，

電。3給出了器件的結(jié)電容值隨吸收層濃度

的變化趨勢。當

從5X

10/cm3上到5

X

10/cm3時，器件的電容值呈上升趨

勢。結(jié)電容公式為/hw(gvv)AualmuVbltage/V5

—■—5xl015/cm3

—lxl016/cm3(W4a

-5xl016/cm3、AOIX)3

、P@J

22言m0.0

0.1 0.2

0.3 0.4

0.5 0.6

0.7

0.8Distance

in

verical

direction/pim圖2不同的吸收層摻雜濃度下的暗電流(>)和電場

分布(b)式中，比代表半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)，J代表

有效接觸面積,A代表耗盡層的

&由上面的結(jié)論可知，耗盡層的寬度隨

摻雜濃度的

窄，器件結(jié)電容反比于耗盡層的;

的摻雜

越高，結(jié)電容越大。從微

來看，當

的摻雜時，窄的耗盡

有利于自由

子對結(jié)電容貢獻更大&器件的響應(yīng)速度取決于

RC延遲時間&結(jié)電容越小，響應(yīng)速度越快。

在選擇吸收層的摻雜濃度時，需要綜合考慮暗

電流和結(jié)電容所帶來的

，在盡可能減

：電流的同時提升響應(yīng)速度&2.2改變臺階寬度如圖4所示，通過改變結(jié)構(gòu)中的臺階寬度

來觀察暗電流的變化情況。臺階包括P層BP

和口―層InGaAs，臺階寬度分別為40屮、Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.l,

Jan

20214紅外2021年1月Vbltage/V圖3不同吸收層濃度下的電容（頻率為10

GHz）1E-10-1E_1-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2 0.0 0.2

0.4

0.6Vbltage/V圖4不同臺階寬度下的暗電流50

pm、60

pm、70

^m

和

80

^mo

從圖中能夠

看到，隨著

的增大，器件的暗電流上&

中加入

些缺陷態(tài)。暗電流包括復(fù)合電流和表面漏電流。器件表面缺陷態(tài)的存在

使表面漏電流增大。臺階越寬,帶來的缺陷越

多，導(dǎo)致暗電流上升。5給出了器件電容值隨臺階寬度的變化

趨勢。當

從80

^m下降到40

^m時,器件的結(jié)電容呈下降趨勢。在一0.4

V偏壓

下，從2.5

nF下降到1.

5

nFo由式（4）可知,

結(jié)電容與有效接觸面積成正比。接觸面積變大

時，更多的自由

子在外加偏壓條件

：過結(jié)區(qū)，導(dǎo)致結(jié)電

大。2

3光強及頻率對器件電容變化的影響圖6給出了在無光照以及不同光強條件下

器件電容值的變化趨勢。其中，

大小分別為

0.

01

W^cm2、0.

1

W^cm2、1

W^cm2、5

W#

cm2和10

Wycm—

當光強小于0.

1

W^cm2時,Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.l,

Jan

2021-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Vbltage/V圖6不同光強下的電容(頻率為10

GHz)結(jié)電容在有無光照條件下基本沒有變化。當光

強為1

W^cm2時，在0?0.4

V區(qū)間內(nèi)，結(jié)電

容變大。當光強為5

W^cm2和10

W#W、偏

壓在0.4

V以下時，結(jié)電容迅速上升。在同一,結(jié)電

區(qū)間

是上升的。式（5）為總電容公式，其中G和G分代表

電

容和勢壘電容。C=Cd

+Ct(5)_______!!2NaNd_______2$Fa+!2Nd

)G6)d-V)式（6）為勢壘電容公式，其中！和！分別

代表兩種材料的介電常數(shù)！

Na和Nd分

代

表P層和r層的摻雜濃度，Vd代表內(nèi)建電場,

V代表外加偏壓。由于

電容由少子

打在反向偏壓和小的正向偏壓下可以不予考慮,

因此結(jié)電容基本由勢壘電容決定。由式（6）可

}!結(jié)電容隨外加偏壓的

增大。這是因http:

//.

ac.

cn/hw第42卷，第1期紅外5為結(jié)電容基于光生載流子的快速移動，而反向

偏壓

生

子的移動，正向偏壓使光生

子的移動加速，所以從負偏壓到正偏壓

時結(jié)電容會變大&當光強小于1

WcI時，產(chǎn)

生的

生

子 ，

結(jié)電與無光照情況下差別不大&當

大于1

V#cm2時，光生

子

增，光生

.子對結(jié)電容的

迅速上升，結(jié)電容增大&7給出了不

的電

化趨勢。其中，頻率分別為100

kHz、1

MHz、10

MHz、

100

MHz、1

GHz 和

10

GHz。在同一電壓下，

結(jié)電容隨著頻率的

減小。

中也能看到

的

當電壓在0.5?1V

|內(nèi)時，結(jié)電容的變化趨勢

&其中，當偏壓為

0.9

V時，電容值分別為77

nF、74

nF、40

nF、

18

nF、18

nF和1.5

nF。在高頻時，熱離子發(fā)

射速度跟不上高頻信號的變化，電荷

電效

應(yīng)減弱，結(jié)電容減小。在低頻時，熱離子發(fā)射

上

信號的變化，電荷

電效應(yīng)增強，結(jié)電容增大。在正向偏壓下，峰值的產(chǎn)

生與

電容有關(guān)；

偏壓下，結(jié)電容由勢壘電容決定&當正向偏壓

增大時，

能

近缺陷能級，電荷從價帶躍遷到導(dǎo)帶

的

與被缺陷能級所

的

當，電荷結(jié)電容的

到最大。當正向偏壓繼續(xù)增大時，

能

離缺陷能級，電荷大部分被陷能

，結(jié)電容減小。3總結(jié)本文設(shè)計了

一種p-7n型InP/InosGaw

-As/In^Ga^As光電探測器，并模http：///hw濃度和臺階寬度對探測器暗電流和結(jié)電容的影

響。結(jié)果表明，暗電流隨吸收層摻雜濃度的增

大

，而結(jié)電

隨之增大，

需要合理選

的摻雜

&窄的

使陷減少，暗電

&結(jié)電容與有效

面

成正比&窄的

使有效

面

「小，結(jié)電容更小。最后研究

和

器件結(jié)

電容的

&

，器件的結(jié)電

化不大；當

上升到1

H^cm2時，結(jié)電容迅速

上升&器件的結(jié)電容隨

的

。該研究結(jié)果為研制低暗電流和高響應(yīng)速度的p-—n

InP/InGaAs光電探測器

依據(jù)&參考文獻胡偉達，李慶，陳效雙，等.具有變革性特征的

紅外光電探測器[J*.物理學(xué)報，2019,

68(12)：

120701.譚振，劉世光，田震，等.雙層異質(zhì)結(jié)晞鎘汞甚

長波紅外焦平面探測器研究進展[J*.紅外，

2020,

41(4)：

1-7.金宇航，黃衛(wèi)國，張見，等.短波紅外錮銖碑探

測器材料表面缺陷研究[J*.紅外，2020,

41

(3)：

1-8.*[4

Zhu

L

Q，Huang

J，Xie

Z

H,

et

al.

Low-frequen-cy

Noi

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

Infra-red 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

Ima-ging

of

the

Photorespon

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-badSpectralCharacterizationof

Mid-infrared

SiAray

Detectorsfor

Astronomical

obrvation

in

Space

[J.*

Publication

of

the

Astronomical

S--

ciety

of

the

Pacific

,

2020,

132:

074502.(下轉(zhuǎn)第32頁)Infrared

(monthly)/Vol.42,

No.1,

Jan

202132紅外*)*)2021年1月李璐.基于雪崩二極管的通訊波段單光子探測

*

Cova

S,

Ghioni

M,

Lacaita

A,

et

al.

Avalanche

)photodiodes

and

quenching

circuits

for

single-pho-ton

detection

[

J

*.

Applied

optics,

1996,

35

器技術(shù)研究[D*.天津：天津大學(xué)，2010.張鵬飛，周金運，廖常俊，等.APD單光子探測

技術(shù))*.光電子技術(shù)與信息，2003

,

10(6)

:

6-

11.(12)

:

Y,

Jian

Y,

Chen

X,

et

al.

Room-tempera-ture

singl-photon

detector

bad

on

InGaAs/InP

avalanchephotodiode

with

multichannelcounting

)0*高家利，汪科，盤紅霞.近紅外1550

nm單光子

探測器硬件電路設(shè)計)*.激光與紅外，2015,

45(6):

y

[J*.

IEEE

Photonics

Technology

Vetters

,

2010,

23(2):

115-1172*

Do

Amaral G

C.

FPGA

applications

on

single

pho-)1*)張鵬飛，周金運.單光子探測器及其發(fā)展)*.

ton

detection

systems [

D*.

Ponce:

Pontifical

Catholic

University,

2014.傳感器世界,2003,

9(10)：

6-10.(上接第5頁)cally

Ion-implanted

JFET

in

an

InGaA/InP

p-i—n

*)張昊春，曲博巖，金亮.考慮太陽輻射影響的飛

Photodiode

Layer

Structure

for

a

Monolithicaly

Planar

Integrated

Receiver

OEIC

).*機實時探測紅外成像仿真)*.應(yīng)用光學(xué),

2019,

40

(6)"929-9362*

Xiao

Y

H,

Zhen

H.

Pedestrian Crowd

Detection

[9Bad

Unmanned

AerialVehicleInfraredImagery

IEEE

Pho-tonics

Technology

Vetter,

1992,

4

(3)

:

253—255.*

Zang

J

Z,

Morgan

J

S,

Xie X

J,

et

al.

In/InGaAs)2Photovaractor

).*

Journal

of

Lightwave

Tech-*.

Applied

Machanics and

Materials,

2017,

)873：

347—

,2018,

36

(9):

1661-1665.*

ATLAS

Urs

Manual

[M)3.*

Santa

Clara:

Silvaco

International,

20152)0*

Achouche

M,

Glastre

G,

Caillaud

C,

et

al.

In-GaAs

Communication

Photodiodes: from

Low-to

High-power-level

Designs

[J*.

IEEE

Photonics

*

Wang

Y

D,

Chen

J,

Xu

JT,

et

al.

Modeling

of

)4Frequency-dependentNegativeDiferentialCapaci-

tance

in

InGaA/InP Photodiode

[J.

Infrared

*Journal,

2010,

2

(3)

:

460-468.)1*

Bauer

J

G,

Albrecht

H,

Hoffmann

L,

et

al.

Lo-PhysicsandTechnology

,

2018,

89"ed

(monthly)/Vol.42,

No.1,

Jan

2021htp:///hw

-