[发明专利]一种提高铟镓砷红外探测器响应率的方法及相应探测器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体光探测器件技术，更具体的，涉及一种最大限度提高铟镓砷红外探测器件响应率的方法。

背景技术

由于大气中二氧化碳和水汽分子的强烈吸收，适合应用的红外谱段主要集中在1μm～2.5μm、3μm～5μm、8μm～14μm等三个大气窗口。其中，1μm～2.5μm为短波红外谱段，由于很多物质在该谱段具有独特的光谱特性，所以工作于该谱段的光谱分析和成像设备可广泛应用于医学成像、产业测温、安全防范等民用领域和精确武器制导、红外报警与识别、侦察与监视等军事领域，而且具有低成本、高可靠和实用性强等特点。国际上，用于制备该谱段探测器的材料主要有铟镓砷(InGaAs)基III-V族和碲隔汞(HgCdTe)基II-VI族化合物半导体。与HgCdTe探测器相比，InGaAs探测器的优势在于：(1)可以在常温下工作(HgCdTe探测器需工作于液氮温度下)，使其可以摆脱制冷器的制约，在仪器小型化和成本降低等方面具有较大竞争力；(2)其材料比HgCdTe更容易生长，而且其衬底具有更高的质量和更坚固的性质，使其在批量生产、可靠性及稳定性等方面占有优势。

InP的晶格常数介于InAs与GaAs之间，因此InP被普遍用作三元化合物In_xGa_1-xAs的衬底材料及外延材料。当x取值0.53时，In_0.53Ga_0.47As将与InP完全晶格匹配，材料的缺陷与位错密度降至最低。出于对高量子效率和快响应速度的追求，铟镓砷红外探测器普遍采用P-I-N的InP/InGaAs/InP结构。其中，I型的InGaAs红外吸收层作为该结构的功能层，不仅需要完成红外辐射到光生载流子的转化，而且需要将光生载流子输运到结区，以实现电信号的收集。而吸收层的厚度可以直接影响上述两个过程，进而决定铟镓砷红外探测器响应率的大小。

因此，通过控制吸收层的厚度来最大限度提高铟镓砷红外探测器的响应率显得尤为重要。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种最大限度提高铟镓砷红外探测器响应率的方法及相应探测器，从InP/InGaAs/InP红外探测器件的响应率着手研究，考察吸收层厚度对响应率的影响，通过数值模拟得到探测器件响应率随吸收层厚度变化的规律，通过拟合模拟数据得到了响应率取最大值时吸收层厚度的经验公式，进而根据拟合结果设计并制作InP/InGaAs/InP红外探测器件，所得结果对该器件的优化设计具有一定的指导意义。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种最大限度提高铟镓砷红外探测器响应率的方法，其步骤如下：

1、首先构建InP/InGaAs/InP红外探测器件的结构模型；

在N型的InP缓冲层上依次形成I型(弱N型)的InGaAs吸收层和P型的InP帽层，然后在InP缓冲层上形成N电极，以及在InP帽层上形成P电极；

2、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、电子与空穴的电流密度方程，载流子复合率及其光学产生率通过产生复合项加入连续性方程，其中载流子复合项包括SRH复合、辐射复合和俄歇复合，载流子产生项通过耦合吸收模型来描述其光学产生率，同时还需考虑到载流子的热效应、速度饱和效应以及带间隧穿效应，用有限元方法离散化联立迭代求解；

3、模拟中短波红外辐射从背面垂直照射到器件上，将吸收层厚度设为变量，绘制响应率随吸收层厚度变化的曲线，定义响应率取最大值时的吸收层厚度为最佳吸收层厚度；

4、固定空穴寿命及迁移率，改变入射波长，重复步骤3，得到不同入射波长对应的器件响应率随吸收层厚度变化的一系列曲线；

5、固定入射波长为V_λ，分别改变空穴寿命及其迁移率，重复步骤3，得到不同空穴寿命及其迁移率对应的器件响应率随吸收层厚度变化的一系列曲线；

6、首先根据步骤4中被固定的空穴寿命及迁移率，计算相应的空穴扩散长度之值V_LD，然后在步骤4所得的一系列曲线中，提取当空穴扩散长度固定为V_LD时的最佳吸收层厚度T^*_abs与入射波长的关系，进而得到T^*_abs随吸收长度L_a变化的曲线，通过拟合该曲线得到公式T^*_abs(L_a)；