徐佳新，徐德前，莊仕偉，李國興，張源濤，董 鑫，吳國光，張寶林

(吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點實驗室，吉林長春 130012)

1 引 言

目前，在氣體監(jiān)測、遙感技術(shù)、紅外通訊等諸多領(lǐng)域，對3～5 μm波段的半導(dǎo)體紅外探測器均有著迫切的需求。InSb材料作為一種典型的窄禁帶半導(dǎo)體材料，具有量子效率高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但是其在室溫條件下的高復(fù)合噪聲制約了器件的探測性能，難以滿足第三代紅外探測器的發(fā)展要求［1-2］。近年來，以微機電技術(shù)(MEMS)為基礎(chǔ)的微測輻射熱計［3］與銻化物Ⅱ型超晶格結(jié)構(gòu)［4］，由于工作溫度高、覆蓋波段范圍廣等特點而成為近年來的研究熱點，但是微測輻射熱計的響應(yīng)速度較低，而超晶格結(jié)構(gòu)則需要在器件表面制備復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)以提高量子效率，InSb光伏型器件則不具備這樣的缺點，因此仍具有一定的競爭力。

為了提高探測器的工作溫度，人們從器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計入手，提出MSM結(jié)構(gòu)、nBn結(jié)構(gòu)以及非平衡探測器等［5-12］，以解決窄帶隙材料復(fù)合率高的問題。其中，非平衡探測器結(jié)構(gòu)被證明是一種降低俄歇復(fù)合噪聲的有效手段［11，13］，器件的 R0A可以達到1.5×10－2Ω·cm2。但是，這種非平衡探測器采用InSb同質(zhì)結(jié)構(gòu)，俄歇復(fù)合效應(yīng)在有源區(qū)以外并未被抑制，復(fù)合率依然很高。而且N+區(qū)與P+區(qū)內(nèi)高濃度的雜質(zhì)，在InSb中將會引發(fā)嚴重的肖克萊-瑞德復(fù)合過程，使得漏電流很大。

為此，本文提出采用GaSb與InP兩種寬禁帶材料分別作為器件的P+區(qū)與N+區(qū)，制備一種GaSb/InSb/InP異質(zhì)PIN結(jié)構(gòu)，利用TCAD工具對器件進行建模及仿真，并采用低壓金屬有機化合物(LP-MOCVD)技術(shù)制備樣品，研究其反向漏電流及品質(zhì)因子。測試結(jié)果表明，理論模型與實驗結(jié)果相吻合，器件品質(zhì)因子R0A相比于同質(zhì)InSb結(jié)構(gòu)提高了一個數(shù)量級，達到了0.1 Ω·cm2。由于InSb有源區(qū)內(nèi)的復(fù)合機制是限制器件工作性能的主要因素，因此對有源區(qū)內(nèi)的復(fù)合機制進行研究，對降低器件的漏電流具有指導(dǎo)性意義，同樣對提高器件的工作溫度有著重要的意義。

2 器件仿真模型

2.1 InSb 能帶

由于GaSb和InP兩種材料與InSb同屬Ⅲ/Ⅴ族半導(dǎo)體，在能帶結(jié)構(gòu)方面具有一定的相似性［14］，因此以InSb為例說明能帶參數(shù)的計算方法。InSb是一種直接帶隙材料，其能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 InSb能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Band structure of InSb

對于InSb的Γ能谷，由于其曲率很大，需要在拋物線模型的基礎(chǔ)上添加一個修正系數(shù)α［15］，以提高擬合精度，此時狀態(tài)密度可寫為

并且，在室溫附近，由于本征費米能級接近導(dǎo)帶底，即使未摻雜的InSb材料也會呈現(xiàn)出簡并半導(dǎo)體的特性。本征費米能級與導(dǎo)帶底的距離可以通過下式來估算

可以計算得出，300 K下InSb材料的本征費米能級位于導(dǎo)帶底以下0.02 eV的位置［16］，處于弱簡并區(qū)。此時玻爾茲曼近似不再成立，因此必須采用費米-狄拉克分布來計算導(dǎo)帶中的電子濃度。利用熱平衡時的電子濃度公式

將費米分布函數(shù)f(E)進行泰勒展開并忽略高階項可以得到

其中Nc=2(mekT/2π2)3/2是 InSb導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度，F(xiàn)1/2、F3/2、F5/2分別為 1/2、3/2、5/2 階費米積分。

值得說明的是，在InSb材料中，Γ能谷中心附近重空穴帶的曲率遠小于導(dǎo)帶，因此在計算俄歇復(fù)合系數(shù)的過程中，可以對重空穴帶進行“平帶”近似，從而簡化計算過程［17］。

2.2 InSb有源區(qū)的俄歇復(fù)合模型

俄歇復(fù)合是一種非輻射復(fù)合過程，是影響器件性能的一種重要機制［18］。根據(jù)參與俄歇復(fù)合的載流子在能帶中的分布情況，俄歇復(fù)合及對應(yīng)的碰撞電離過程可以分為10種類型，其中在InSb材料中起主要作用的是CCCH與CHHL這兩種過程［13］。

對于價帶，拋物線近似依然成立，同時由于費米能級距價帶頂較遠，滿足玻爾茲曼近似的3kT條件，因此價帶中空穴的濃度p0可由下式計算

圖2 CCCH及CHHL俄歇機制示意圖Fig.2 Schematic representation of CCCH and CHHL Auger processes

在CCCH復(fù)合過程中，發(fā)生復(fù)合的電子和空穴分別位于導(dǎo)帶底與重空穴帶上，獲得能量的電子在導(dǎo)帶中被激發(fā)到更高的能級。該過程的復(fù)合率Rn與載流子濃度的關(guān)系為

其中，Rn0為熱平衡條件下的復(fù)合率。

與CCCH過程類似，CHHL過程中的電子和空穴同樣位于導(dǎo)帶底與重空穴帶，但獲得能量的電子從輕空穴帶被激發(fā)到重空穴帶。CHHL過程的復(fù)合率Rp為

因此，總的凈復(fù)合率RAuger為上述兩種機制復(fù)合率的和，即

其中，Cn與Cp分別稱為CCCH過程與CCHL過程的俄歇復(fù)合系數(shù)。量子力學(xué)計算結(jié)果表明，Cn與Cp的值與溫度及禁帶寬度有關(guān)，計算過程中綜合考慮了理論計算［17］與實驗測量［18］的結(jié)果來確定二者的大小。在np的條件下，俄歇復(fù)合率可近似地寫為

此時凈復(fù)合率為負值，代表著產(chǎn)生率。因此，在載流子濃度較低時，俄歇復(fù)合的凈產(chǎn)生率與載流子濃度成正比，GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)正是利用這一原理來達到抑制俄歇復(fù)合的目的。

2.3 InSb有源區(qū)的肖克萊-瑞德復(fù)合模型

肖克萊-瑞德復(fù)合是另一種重要的復(fù)合機制，是低溫條件下限制探測器性能的重要因素。在室溫下，當俄歇復(fù)合受到抑制，或材料的雜質(zhì)和缺陷的濃度很高時，肖克萊-瑞德復(fù)合可能成為決定器件漏電流的主要因素。由于窄帶隙材料的禁帶寬度較小，即便是淺能級雜質(zhì)也能夠呈現(xiàn)出明顯的復(fù)合中心效應(yīng)，對載流子的壽命影響很大。

肖克萊-瑞德復(fù)合過程的凈復(fù)合率［19］可以表示為

其中Et為復(fù)合中心能級，τn、τp類似于少子壽命，分別反映了復(fù)合中心對電子與空穴的最大俘獲能力，其與復(fù)合中心濃度的關(guān)系分別為

其中Nt為復(fù)合中心的濃度，cn與cp分別稱為電子與空穴的俘獲系數(shù)。由于制備工藝與具體材料生長環(huán)境的不同，材料中的雜質(zhì)種類難以確定，對復(fù)合中心的參數(shù)Et、Nt以及俘獲系數(shù)cn、cp的確定造成了困擾，計算中采用了實驗測量的結(jié)果［20-21］。

2.4 GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)的電荷輸運模型

在對GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)的電學(xué)特性進行仿真時，從連續(xù)性方程入手，結(jié)合漂移擴散模型進行建模［22］，并通過TCAD 工具實現(xiàn)。

連續(xù)性方程可寫為

其中，q為電子電荷量，Jn、Jp分別為電子電流與空穴電流，R與G分別代表復(fù)合率與產(chǎn)生率。

在擴散漂移模型下，電子電流Jn與空穴電流Jp可以表示為

其中，E為電場強度，μn、μp分別為電子與空穴的遷移率，Dn、Dp分別為電子與空穴的擴散系數(shù)。

在無外界激勵的條件下，產(chǎn)生率G為0。同時可以證明，直接輻射復(fù)合與隧穿效應(yīng)的影響可以忽略［13-14］。因此復(fù)合率R由俄歇復(fù)合與肖克萊-瑞德復(fù)合兩種機制決定，即

將式(12)、(13)帶入到式(11)中，便得到完整的電荷輸運方程:

3 GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)

在GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)中，采用禁帶較寬的重摻雜GaSb與重摻雜InP分別作為P+區(qū)與N+區(qū)，作為空穴傳輸層與電子傳輸層。非故意摻雜的InSb材料作為有源區(qū)，吸收紅外輻射并發(fā)射光生載流子。GaSb較低的電子親和勢使得GaSb的價帶頂略低于InSb的導(dǎo)帶底，位于InSb的禁帶之間。InP的電子親和勢與InSb相近，因此InP的導(dǎo)帶底與InSb的導(dǎo)帶底基本持平。這使得GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)在熱平衡時，能帶呈現(xiàn)出一種類似于圖3(a)中所示的“階梯”形態(tài)。在這種能帶結(jié)構(gòu)下，電子與空穴在沿“階梯”而下的方向上可以自由地流動而不受限制，而在反方向上的運動則受到高勢壘的阻礙，使得擴散效應(yīng)產(chǎn)生的噪聲電流密度很低。

如果InSb與GaSb、InP間的費米能級差很大，將導(dǎo)致平衡時InSb有源區(qū)異質(zhì)結(jié)界面處的能帶強烈彎曲。為避免這種情況，GaSb與InP兩種材料應(yīng)分別重摻雜為P+型和N+型，以減小與InSb費米能級的差異。這將導(dǎo)致GaSb與InP處于弱簡并區(qū)，因此在計算兩種材料中的載流子濃度時，可參考討論InSb材料能帶時的式(4)與式(5)。

圖3 GaSb/InSb/InP PIN結(jié)構(gòu)的能帶圖。(a)平衡條件下;(b)－0.3 V反偏壓下。Fig.3 Band diagram of GaSb/InSb/InP PIN structure under equilibrium(a)and －0.3 V bias(b)

當施加反偏壓時，由于N+區(qū)與P+區(qū)內(nèi)雜質(zhì)濃度很高，空間電荷區(qū)的擴展很小，耗盡層基本擴展在InSb有源區(qū)，反偏壓基本全部被有源區(qū)分擔，內(nèi)建電場被增強。這有利于光生載流子快速分離，在電場的作用下迅速漂移并穿過有源區(qū)，從而具有較高的響應(yīng)速度。光生電子與空穴在電場的作用下分別漂移至N+區(qū)與P+區(qū)，并以多子的“身份”繼續(xù)向兩側(cè)擴散，在小注入條件下不會引起N+區(qū)與P+區(qū)內(nèi)載流子濃度的變化。因此，光生載流子在N+區(qū)與P+區(qū)內(nèi)復(fù)合率很低。計算結(jié)果表明，在不計表面復(fù)合的情況下，超過95%的光生載流子可以被兩側(cè)的電極收集。

同時，在一定的反偏壓下，有源區(qū)將被完全耗盡，載流子的濃度很低。根據(jù)(9)式，俄歇復(fù)合率與載流子的濃度呈線性關(guān)系，反偏壓的增加可降低載流子的濃度，因而可以抑制俄歇復(fù)合過程，從而達到降低器件噪聲的目的。

4 結(jié)果與討論

4.1 載流子分布

反偏壓下GaSb/InSb/InP PIN結(jié)構(gòu)中電子與空穴的濃度分布如圖4所示。在－0.3 V的反向偏壓下，InSb有源區(qū)幾乎完全耗盡，載流子的濃度相比熱平衡時的濃度1.8×1016cm－3下降了近兩個數(shù)量級。

圖4 GaSb/InSb/InP PIN結(jié)構(gòu)－0.3 V反偏壓下的載流子分布Fig.4 Carrier concentration of GaSb/InSb/InP PIN structure under －0.3 V reverse bias

值得說明的是，在N+區(qū)與P+區(qū)中少子的濃度很低，分別為106cm－3與104cm－3數(shù)量級。相比于InSb材料，即使在雜質(zhì)濃度為1018cm－3的重摻雜情況下，少子濃度依然高達1014cm－3量級。因此，采用GaSb與InP兩種寬禁帶材料作為N+區(qū)與P+區(qū)，可以有效地削弱反偏壓下有源區(qū)的少子注入效應(yīng)，從而降低器件的漏電流。

4.2 GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)的俄歇復(fù)合電流

在僅考慮俄歇復(fù)合時，GaSb/InSb/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同工作溫度下的漏電流如圖5所示。在負偏壓增加到－0.2 V以后，漏電流逐漸下降。在高溫時這種衰減過程十分明顯，溫度為300 K時漏電流的飽和值相比于極大值有近一個數(shù)量級的下降。隨著工作溫度的降低，這種衰減效應(yīng)逐漸減弱。

在反偏壓從零開始遞增時，反偏壓的增加導(dǎo)致空間電荷區(qū)逐漸擴展，有源區(qū)內(nèi)的載流子迅速被耗盡。此時，式(8)中的(np－)一項迅速減小，由于其為載流子濃度的二次方項，使產(chǎn)生率遠大于復(fù)合率，漏電流也隨之迅速增加。

當反偏壓超過－0.2 V以后，有源區(qū)內(nèi)載流子濃度已經(jīng)很低，此時(np－)≈，因此俄歇復(fù)合率可由式(9)表示，由載流子濃度n與p決定，并隨著反偏壓的增加而逐漸下降，漏電流也隨之下降，呈現(xiàn)出負阻效應(yīng)。

最后，有源區(qū)被完全耗盡，此時盡管反向偏壓的增加仍然能夠?qū)⒏嗟妮d流子從有源區(qū)“抽離”，但從圖4可以看出，在結(jié)的附近載流子的濃度仍然很高，此時俄歇復(fù)合過程集中發(fā)生在結(jié)的附近，并使漏電流呈現(xiàn)出飽和趨勢。

盡管反偏壓下有源區(qū)內(nèi)的載流子濃度相比于熱平衡時下降了兩個數(shù)量級，但是300 K下的漏電流僅有一個數(shù)量級的下降，這與式(9)的計算結(jié)果相矛盾。這種矛盾的結(jié)果，是結(jié)附近高濃度的載流子造成的。通過計算有源區(qū)內(nèi)的平均俄歇復(fù)合率:

可知，結(jié)附近高濃度的載流子在一定程度上抵消了有源區(qū)內(nèi)部低濃度載流子的作用。

當溫度降低時，俄歇復(fù)合系數(shù)與載流子濃度均以指數(shù)形式下降［17］，此時俄歇復(fù)合率基本只由結(jié)附近高濃度的載流子決定，導(dǎo)致低溫時俄歇復(fù)合的抑制效果減弱。在溫度下降到200 K時，俄歇復(fù)合電流的衰減現(xiàn)象已十分微弱。

4.3 GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)的反向漏電流

與俄歇復(fù)合過程不同，根據(jù)式(10)，肖克萊-瑞德過程的凈產(chǎn)生率隨載流子濃度的降低而單調(diào)增加，與俄歇復(fù)合率的衰減效應(yīng)相反。因此在反偏壓下，這兩種復(fù)合機制相互制約，并共同決定了漏電流的大小。

考慮到肖克萊-瑞德復(fù)合的影響，在InSb有源區(qū)內(nèi)的有效復(fù)合中心濃度為1.0×1012，1.0×1013，1.0 ×1014cm－3三種條件下分別計算 PIN 結(jié)的漏電流，結(jié)果如圖6所示，虛線為僅考慮俄歇復(fù)合的漏電流。

圖6 不同反偏壓下GaSb/InSb/InP PIN結(jié)構(gòu)的漏電流Fig.6 Leakage current of GaSb/InSb/InP PIN structure under various reverse bias

當復(fù)合中心濃度在1.0×1012cm－3以下時，俄歇復(fù)合的作用占據(jù)著主導(dǎo)地位，在反偏壓超過－0.2 V后，漏電流隨著反偏壓的增大而逐漸下降并飽和。當復(fù)合中心濃度超過1.0×1012cm－3以后，肖克萊-瑞德復(fù)合的影響逐漸顯現(xiàn)出來，在一定程度上抵消了漏電流的衰減效應(yīng)，并決定了反向飽和電流的大小。在復(fù)合中心濃度達到1014cm－3數(shù)量級以后，肖克萊-瑞德復(fù)合的影響已經(jīng)完全覆蓋了俄歇復(fù)合，并直接決定了漏電流的大小。

通過以上分析可知，俄歇復(fù)合機制決定了器件漏電流的下限，因此決定了器件在室溫下工作性能的極限。同時，雜質(zhì)與缺陷的濃度對漏電流的影響很大，濃度達到1014cm－3數(shù)量級時，肖克萊-瑞德復(fù)合將成為影響工作性能的主要因素。

4.4 GaSb/InSb/InP結(jié)構(gòu)的制備與測試

通過LP-MOCVD技術(shù)，使用三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三乙基銻(TESb)作為反應(yīng)源，二乙基鋅(DEZn)作為p型摻雜源，在InP襯底上依次生長i-InSb外延層與p+-GaSb外延層，工藝參數(shù)見表1。

表1 GaSb/InSb/InP PIN結(jié)構(gòu)的生長參數(shù)Tab.1 Parameters of the epitaxial growth of GaSb/InSb/InP PIN structure

最后，通過蒸發(fā)工藝在外延層表面制備電極。利用Agilent B2900A型半導(dǎo)體測試儀，對樣品反偏壓下的漏電流進行了測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7中虛線為實驗測量結(jié)果，實線為復(fù)合中心濃度為5.0×1014cm－3時的仿真結(jié)果。由于InSb外延層與InP襯底的晶格適配較大，達到10%，導(dǎo)致InSb外延層界面處的缺陷濃度高，肖克萊-瑞德復(fù)合為器件漏電流的主要影響因素，因此實驗中未觀察到由于俄歇復(fù)合受到抑制所引起的負阻效應(yīng)。通過漏電流的大小來估計復(fù)合中心濃度，近似推算樣品InSb外延層內(nèi)的缺陷濃度在2×1014～7 ×1014cm－3范圍內(nèi)，與報道的結(jié)果吻合［20］。

圖7 GaSb/InSb/InP PIN結(jié)構(gòu)不同反偏壓下漏電流測試結(jié)果Fig.7 Measured data of leakage current of GaSb/InSb/InP PIN structure under various reverse bias

光伏器件的品質(zhì)因子R0A常被用來評價器件的工作性能及工藝水平，其與器件飽和漏電流Isat的關(guān)系可表示為

樣品的反向飽和漏電流為0.26 A·cm－2，由此計算出樣品的R0A值為0.1 Ω·cm2。研究表明，利用低溫生長或緩沖層技術(shù)可以有效地降低InSb外延層中的缺陷濃度［23-24］，因此通過優(yōu)化外延層的生長工藝，可以進一步降低器件的漏電流，使器件接近俄歇復(fù)合機制所決定的性能極限。根據(jù)仿真結(jié)果，俄歇復(fù)合機制引發(fā)的飽和漏電流為5.3×10－3A·cm－2，因此 GaSb/InSb/InP 結(jié)構(gòu)在室溫下R0A的極限值為4.9 Ω·cm2，對應(yīng)的歸一化探測率為1010cm·Hz1/2·W1/2量級。

5 結(jié) 論

為提高室溫下InSb紅外探測器的工作性能，本文設(shè)計了GaSb/InSb/InP異質(zhì)PIN結(jié)構(gòu)，利用TCAD工具對器件進行建模及仿真，研究了InSb有源區(qū)內(nèi)載流子的復(fù)合機制對器件漏電流的影響。研究發(fā)現(xiàn)，俄歇復(fù)合機制引發(fā)的噪聲在反偏壓下呈現(xiàn)出一定的衰減效應(yīng)，并決定了器件探測性能的極限。當InSb有源區(qū)內(nèi)的缺陷濃度高于1.0×1014cm－3后，肖克萊-瑞德復(fù)合成為影響漏電流的主要機制。通過LP-MOCVD技術(shù)制備樣品并對其漏電流進行測試分析，實驗結(jié)果表明，理論模型與實驗結(jié)果相吻合，樣品的漏電流為0.26 A·cm－2，品質(zhì)因子R0A達到了0.1 Ω·cm2，相比于同質(zhì)InSb結(jié)構(gòu)提高了一個數(shù)量級，已接近實用化水平。