[發明專利]基于光子晶體限光效應的焦平面探測器結構的設計方法

有效

• 申請號: 201310591022.5
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103681937A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 胡偉達;梁健;葉振華;陳效雙;陸衛
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: H01L31/102
• 分類號: H01L31/102;H01L31/18
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明涉及半導體紅外光探測器件性能的設計和測量，具體是指一種在HgCdTe中、長波紅外焦平面探測器的設計制作中利用光子晶體這類人工微結構的限光效應提高光吸收效率并降低暗電流的方法。

背景技術

碲鎘汞(HgCdTe)作為一種窄禁帶半導體，通過調節其Cd組分值x可以連續改變禁帶寬度(-0.3～1.6eV)，這樣調整得到的材料響應波長很好地適應了紅外技術需求的幾個大氣窗口（短波1～3μm、中波3～5μm和長波8～14μm）。基于HgCdTe材料的光電探測器在軍事偵察和航天遙感等領域具有重要的國家戰略需求和應用價值，對器件性能要求也很高。人們在傳統的光伏型器件的基礎上提出了許多改進，例如利用超材料、nBn結構、HDVIP結構等方法，提高探測能力。但是這些都不足以從根本上改善器件的暗電流特性。

HgCdTe光電探測器的性能受暗電流機制影響很大，比如衡量探測器性能的重要指標——零偏壓動態電阻面積乘積(R₀A)直接由暗電流決定。而暗電流又對于制造工藝和材料性質很敏感，因此研究暗電流特性，分析其構成機制及與對應材料參數的關系，是器件研制過程和性能改進中必不可少的一個環節。相比短波器件，中、長波HgCdTe探測器材料的禁帶寬度要更小，器件漏電流成份將顯著增加、漏電物理機制會更加復雜，對器件制備工藝提出了更高的要求。

為了解決上述的問題，本發明利用光子晶體這類人工微結構的陷光原理，提出了一種在制作中引入周期性的臺柱或者孔洞形成光子晶體結構，在保證紅外探測器量子效率的基礎上降低器件的填充比，從而通過減少探測器光敏元材料體積的方式，解決困擾HgCdTe紅外探測器的暗電流噪聲過大的問題，提高器件的噪聲等效溫差。

這樣，通過對引入光子晶體結構調控的新型器件結構HgCdTe焦平面紅外探測器進行數值模擬和分析以得到合適的工藝方案和最佳的工藝參數，其結果將為揭示工藝環節與特征參數的關聯性、獲得人工光子微結構形狀和尺寸影響暗電流的內在物理機制以及提高第三代HgCdTe焦平面紅外探測器性能提供理論和技術支持。

發明內容

本發明提供了一種利用光子晶體結構提高HgCdTe中長波紅外探測器性能的設計方法，該方法通過模擬得到該種新型結構的探測器件量子效率和暗電流隨各種結構關鍵參數變化的曲線，從而得到了為設計提供依據的最佳參數值。其設計方法步驟如下：

1.構建二維n⁺-on-p型HgCdTe光伏探測器件，n區收集層（2）摻雜濃度為1×10¹⁷cm^-3，p區吸收層（3）摻雜濃度為9×10¹⁵cm^-3，襯底材料（4）為Si，同時n區和p區分別安裝電極（1）、（5）以測量輸出電壓信號；

2.構建物理模型：本數值模擬中利用了時域有限差分進行光學模擬和有限元數值方法進行電學模擬。光學模擬的基本方程是麥克斯韋方程組，得到的光場分布通過與材料電導率相關的理論方程可計算轉換為載流子產生率分布。電學模擬的基本方程是泊松方程、電子與空穴的連續性方程、電子輸運方程，之前得到的載流子產生率作為光響應加入方程。表面復合也可加入方程，包括SRH復合、Auger復合和輻射復合，同時還要考慮到載流子的熱效應、高場飽和效應，用有限元方法離散化聯立迭代求解，勢壘的隧穿效應為獨立方程，與上述方程自洽求解；

3.調節物理參數，在中波4μm左右時為200K，長波8μm左右時為77K的固定模擬環境溫度下，外加入射光垂直背入射，經過襯底到達結區，激發產生光電流信號。光功率恒為0.001W/cm^-2，在單一波長下，改變各材料層的厚度，其中主要是改變p區吸收層厚度，n區厚度在HgCdTe不變時可以不做改變，對應4μm波長的器件時固定為1.75μm，對應8μm波長的器件時固定為3μm，得到響應率最高時的最佳厚度。

4.改變各單元柱狀結構的寬度，由數值模擬得到器件量子效率隨填充比改變范圍在0.15～0.85之間變化的曲線；

5.在無光條件下，得到對應4中的暗電流隨填充比變化的曲線；

6.改變整個結構的單元周期寬度a，重復步驟4）、5），得到周期寬度a在5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm和12μm時的量子效率和暗電流隨填充比波長變化的曲線。通過曲線分析，可獲得最佳的單元周期參數；