nBn型InSb红外器件性能仿真

周 朋,刘 铭,邢伟荣

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

nBn结构是一种单极势垒层探测器结构,其电极层以及吸收层均为n型材料,宽禁带的势垒层薄层嵌于电极层和吸收层之间,其能带示意图如图1所示。势垒层B会阻挡电极层中的电子向吸收区扩散,但不会阻挡吸收区的光生电子和空穴。在无光照时,器件内电流很小；当施加光照时,在吸收区由于光激发产生的电子空穴对分别在外加电场的抽取作用下运动,到达电极形成电信号。与传统pn结结构器件不同,nBn结构没有内建空间电荷区,其吸收层耗尽区宽度大大降低甚至完全消除,可以有效降低SRH暗电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流等结生暗电流,同时,由于在nBn器件结构中吸收区掩埋在宽禁带的势垒区下,起到了类似于钝化的效果,器件表面漏电也大大降低。因此,相比于传统器件,其可以在更高的工作温度达到相同的探测性能。

图1 nBn结构器件的能带示意图

nBn结构已广泛应用于超晶格、MCT、InAs(InAsSb)等材料中。2014年,法国Montpellier大学和SOFRADIR公司第一次报道了nBn结构的高温工作InSb红外探测器[1]。为了研究nBn型InSb结构对性能的影响,本文使用SentaurusTCAD软件进行了模拟仿真。

2 势垒层的改进

势垒层能带控制是nBn结构器件的关键。一方面,势垒层与吸收层的导带差值(Conduction Band Offset,CBO)要足够大,从而抑制电子穿过产生暗电流,另一方面,势垒层与吸收层价带的差值(Valence Band Offset,VBO)要尽可能小,以免阻挡空穴流动从而影响器件性能。

根据Adachi[2]提出的III-V族三元化合物禁带宽度的计算方法可以计算出InSb nBn结构的能带情况,计算时均忽略掺杂引起的费米能级位置改变而引起的不同层间的能带偏差,取InAlSb势垒层铝组分为25%,取InSb和AlSb材料的价带差为-0.41 V[3]。计算结果与文献中InAs[4]、InAs/GaSb SLs[5]及MCT[6]三种材料nBn结构的能带偏差对比列于表1。

表1 不同材料nBn结构的能带偏差对比

从表中可以看出,InAs材料及InAs/GaSb type-II SLs材料的价带差非常小,基本上可以忽略。而InSb与MCT材料nBn结构能带结构类似,价带差较大。这是因为InAsSb和InAs/GaSb type-II SLs的nBn结构采用其他材料来充当势垒层,价带差和导带差均可调节。而MCT材料采用不同组分的MCT材料充当势垒层,InSb的势垒层则采用InSb与AlSb的固溶体InAlSb材料,随着Cd组分或Al组分的增加,导带势垒和价带势垒呈比例增加,无法单独调节价带差或导带差。

若直接对未改进的InSb nBn器件加偏压,将得到如图2所示的能带图。由于外加偏压影响能带的原理是通过载流子的耗尽或者累积,其并不能改变吸收层和势垒层接触界面的能带突变,所以无论外加电压如何,在吸收层和势垒层的接触面均存在势垒,只是势垒从方形变为了三角型。三角形势垒依然对光生空穴有阻挡效果,降低了器件性能。因此,为了获得更好的性能,需找出减小或消除价带差的方法。

一种可行的方法是引入渐变型势垒层,即靠近吸收层的一侧Al组分不是突变而是线性缓变降低的,图3为引入渐变型势垒层后未加偏压,加0.1 V反偏和0.2 V反偏时的价带图,从图中可以看出,当反偏电压足够大时,价带差可以完全消除。

图2 未改进的InSb nBn器件加不同偏压时的能带图

图3 采用渐变型势垒层后不同反向偏压时的能带图

为了进一步验证渐变型势垒层的必要性,我们使用Sentaurus软件分别模拟了势垒层改进前后的光暗电流IV图,如图4所示。从图中可知,在低反偏时,加入渐变型势垒后的光暗电流均比未加入时的大,且未加入渐变型势垒层的器件在反偏电压小于0.5 V时基本无光信号,而当反偏电压大于0.5 V时暗电流急剧上升,无法正常工作,因此,为了改进器件性能,在势垒层靠近吸收层一侧加入渐变层是十分必要的。

图4 加入渐变型势垒层前后的IV图

3 器件性能模拟仿真

3.1 nBn结构的I-V图分析

为了研究改进势垒层后的InSb nBn结构随反偏电压增大时的性能,我们模拟了暗电流IV图。结果如图5所示。

从图中可以明显看出I-V图包含4个阶段,第1阶段,反偏电压未能克服价带差,无电流通过；第2阶段,反偏电压克服了价带差,空穴扩散电流可以自由通过,第1和第2阶段的临界点称为开启电压；第3阶段,反偏电压继续增大,耗尽区开始扩大到吸收层,产生复合(G-R)电流开始出现；第4阶段,反偏电压大到克服了导带差,电流呈指数增大。最佳工作电压为第2阶段。

图5 InSb nBn结构暗电流IV图

图6 MCT nBn结构暗电流IV图

图6为MCT nBn结构的IV模拟图[7],其同样包含4个阶段,规律与InSb nBn结构基本相同。根据之前表1中的MCT 和InSb nBn结构能带偏差的计算,两种材料的能带偏差大致相同,故其有同样的IV曲线规律在意料之中。

3.2 势垒层厚度和组分对IV曲线的影响

图7为不同势垒层厚度的光暗IV图,随着厚度增加,开启电压略微增加,开始产生GR电流的电压大幅增加,工作电压的范围增大,且光电流在偏压达到要求时几乎不变。因此势垒层厚度应适当增大。但考虑到应力问题,势垒层厚度也不宜过大。当厚度取0.1 μm时,开启电压约为-0.1 V,产生GR电流的电压约为-0.6 V,该区间足以满足工作偏压要求。

图8为不同势垒层组分的光暗IV图,当势垒层组分增大时,开启电压迅速变大,而GR电流开始产生的电压变化幅度不大,工作电压的范围变小,光电流在偏压达到要求时几乎不变。从图上看来势垒层组分越小越好。当势垒层组分太小(<15%)时,价带差虽然几乎可以忽略,开启电压非常接近于0 V,但是此时导带差也非常小,在有光照时势垒层已被击穿,模拟中显示为结果不收敛。且模拟时未考虑隧穿电流,组分太小时势垒高度降低,隧穿概率迅速增大,变得不可忽略,故势垒层组分也不宜太小。综上,本文取Al组分范围为15%～20%。

图7 不同势垒层厚度的IV图

图8 不同势垒层组分的IV图

4 器件结果

将生长的nBn型器件经过器件工艺流片,然后测试其IV特性,得到的77 K下IV曲线如图9所示。图10为法国Montpellier大学和SOFRADIR公司nBn型InSb器件[1]在不同温度下的暗电流趋势图。对比可发现,本文器件暗电流IV图与法国的器件暗电流趋势相同,说明nBn结构可以正常工作,但是其暗电流偏大,还有较大的改进空间,需要进一步改善结构和工艺,进一步提高器件的工作温度。

图9 nBn器件IV曲线图

图10 法国nBn型InSb器件在不同温度下的暗电流趋势图

5 结 论

本文从能带结构方面分析了InSb nBn结构的势垒层,并使用Sentaurus TCAD软件计算并模拟了改进前后的器件IV性能,仿真结果表明,在势垒层靠近吸收层一侧加入渐变层可以有效改进器件性能。之后本文仿真模拟了势垒层和吸收层掺杂对能带的影响,以及势垒层Al组分、厚度对器件性能的影响。最后根据仿真结果选定势垒层Al组分15%～20%,厚度0.1 μm进行实际外延生长,并给出初步的器件流片结果。