[发明专利]一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光探测器件技术，具体是指一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法。

背景技术

红外光电探测技术在20世纪90年代取得飞速发展，现在已经发展到大型焦平面列阵成像技术，高性能大规模焦平面列阵已正式地应用于各种重大国家安全项目中。锑化铟探测器在3～5μm波段响应，由于是本征吸收，量子效率高。20世纪90年代锑化铟红外焦平面列阵器件发展成熟，其发展以凝视型为主，在凝视军用系统中占据主导地位。凝视锑化铟红外焦平面按其用途形成了不同的技术特点：低背景战略和空间应用的锑化铟列阵特点为规模大、噪声低、工作温度低、帧频低；中、高背景战术应用的锑化铟列阵主要用于导弹制导和热成像，列阵特点为规模适度、电荷处理能力强、帧频高。锑化铟半导体材料除了可作光导、光电磁探测器件外，还可以做成p-n结光伏探测器，其在1～5μm波段是常用的高灵敏器件。

p-n结光伏探测器是使p-n结接受光照射而获取能量。当光照射到p-n结时，结及其附近的半导体吸收光能，价带电子受激跃迁至导带形成自由电子，而在价带则相应地形成自由空穴，这些少数载流子在p-n结内建电场作用下，电子移向n区，而空穴则移向p区，结果使半导体的p区带正电，n区带负电，这就是p-n结受光照射时产生光生伏特的原理，据此原理制成的红外探测器称为光伏型探测器。可见，光伏效应是一种少数载流子过程，少数载流子的寿命通常短于多数载流子，当少数载流子复合掉时，光生电压就消失了。由于这个原因，基于光伏效应的光伏探测器比用相同材料制成的光电导探测器响应更快。但是，其响应往往受到很多因素的制约，影响器件性能。

因此，优化器件结构以提高光响应显得尤为重要。本发明从焦平面列阵的光敏元即单个p-n结着手研究，考察基本结构对光响应的影响，得出的结果将会对大型器件的研制具有一定的指导意义。

发明内容

本发明提供了一种优化锑化铟光伏型探测器件吸收层厚度的方法，该方法通过模拟得到探测器件响应率随吸收层厚度变化的曲线，通过与实验数据对比得到了最佳吸收层厚度。其步骤如下：

1.构建二维p⁺-on-n型锑化铟光伏探测器件模型，p区掺杂浓度为1016cm^-3，n区掺杂浓度为9×10¹⁴cm^-3，并在整个器件外表面钝化一层SiO₂，同时p区和n区分别安装电极以测量输出电压信号；

2.根据步骤1中的结构参数制作8个不同n区厚度即不同吸收层厚度的锑化铟光伏型探测器件芯片的中波光电二极管样品，用作于实验测量样品，其吸收层厚度分别为6μm、8μm、10μm、12μm、14μm、18μm、25μm和30μm；

3.测量步骤2中所得样品的性能参数得到：禁带宽度为0.227eV，有效电子质量为0.014m₀，有效空穴质量m_hp＝0.43m₀、m_lp＝0.015m₀，其中m₀为自由电子质量，电子迁移率为10⁵～10⁶cm²/V·s，空穴迁移率为10³～10⁶cm²/V·s，本征载流子浓度n_i＝1.513×10¹⁰cm^-3，电子扩散系数D_n＝226.0cm²/s，空穴扩散系数D_p＝66.0cm²/s，电子载流子寿命约为10^-10s，空穴载流子寿命约为10^-6s，光学吸收系数为4150.0/cm，表面复合速率s₁＝s₂＝10¹²cm/s，相对介电常数为16.8；

4.构建物理模型：半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，光响应由载流子产生率加入方程，表面复合加入方程，包括间接复合、俄歇复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解，模拟过程中所用的器件模型如步骤1中所述，所用的器件性能参数如步骤3中所述；