台面PN结InSb红外探测器响应时间研究

台面PN结InSb红外探测器响应时间研究

马启;邓功荣;苏玉辉;余连杰;信思树;龚晓霞;陈爱萍;赵鹏

【摘要】The relationships of response time, quantum efficiency and dark current of InSb photovoltaic detector are calculated theoretically. The preconditions were set up, in which the InSb infrared detector response time varies from 20ps to 60ps when quantum efficiency changes from 0.56 to 0.61. The mesa p+-n structure is set for the detector as another condition. Through I-V,C-V curve test, the parameters of devices agree with designed values. The response time is 0.3?s with pulse response testing. There is inconsistency between theoretical values and experimental results,for limitations of bond pad capacitance and distributed capacitance.%分析了光伏InSb探测器响应时间与量子效率、反向饱和电流的关系,设计出量子效率为0.61～0.56、响应时间为20～60 ps的锑化铟(InSb)红外探测器,实验制备了台面p+-on-n结构的探测器.通过I-V、C-V测试验证了制备的器件物理参数与设计值吻合.采用脉冲响应测试了InSb探测器的响应时间(0.3?s),由于封装和其他分布电容的限制,响应时间测试值与理论计算值存在差距.【期刊名称】《红外技术》

【年(卷),期】2016(038)004

【总页数】5页(P305-309)

【关键词】红外探测器;锑化铟(InSb);响应时间;量子效率;台面PN结

【作者】马启;邓功荣;苏玉辉;余连杰;信思树;龚晓霞;陈爱萍;赵鹏

【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆

明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223

【正文语种】中文

【中图分类】TN216

光子型红外探测器是利用红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子，引起电学性能变化，属于内光电效应。由于内部电子直接吸收红外辐射，不需要加热物体的中间过程，因而光子探测器响应速度快[1-3]。InSb是Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导

体材料，是本征吸收的窄禁带半导体，因此，决定红外探测器优质因子的量子效率较高；具有很高的电子迁移率（比硅高2个数量级）[4-6]。理论上，InSb光伏探测器非常适合于中波红外的快速探测。

InSb光伏探测器，国际上普遍采用传统的单晶体材料制备。本文根据探测器响应

的机理，设计并制备了台面PN结快响应InSb光伏探测器。通过器件I-V、C-V

曲线和脉冲响应时间的测试，分析影响探测器响应时间的因素，并提出减小探测器响应时间的方法。

PN结光电探测器对辐射信号的响应主要由芯片的响应时间和前放电路的响应时间决定。其中芯片的响应时间包括：①电中性区光生载流子扩散到耗尽区所需的时间；

②光生载流子漂移通过耗尽区所需要的时间；③电时间常数RC，它与结电容及包括外电路阻抗在内的电阻有关。

假设光从p区入射，光生载流子在p区的扩散时间为[7]：

式中：Wp为p区厚度；Dn为电子扩散系数。

探测器的基区同样存在辐射信号的吸收，n区光生载流子的扩散时间为[7]：

式中：Lp为空穴扩散长度；tp为空穴寿命。

饱和速度为Vd的载流子通过宽度为W耗尽区的渡越时间tr为[8]：

式中：NA、ND为p区和n区的掺杂浓度；es为材料的相对介电常数；ni为本

征载流子浓度；N0＝NAND/(NA＋ND)为有效掺杂浓度。

结电容（CD）主要是耗尽区电容（Cj）和焊盘电容（Cox），有影响的电阻主要

是串联电阻（Rs）和外电路的负载电阻（RL），这时响应时间为[9]：

式中：e0是真空介电常数；Aj是结面积；ABP是焊盘面积。

PN结器件有台面和平面两种，本论文采用台面结构。为获得高性能、快响应的探测器，除了响应时间要短，还需要综合考虑量子效率和暗电流因素：

1）量子效率与响应时间的关系

PN结光电器件响应时间主要受扩散时间、漂移时间和RC时间常数的限制。器件

的量子效率受响应速度的限制，根据PN突变结光电二极管的量子效率[11]计算量子效率与响应时间的关系，计算结果如图1、图2、图3所示：

式中：b1＝SLe/De＝S/(Le/te)、b2＝SLp/Dp＝S/(Lp/tp)；Le为电子扩散长度；te为电子寿命。结合公式(1)、(2)并忽略表面反射，理论计算出量子效率与受扩散限制的响应时间关系。从图1、图2、图3中可以得到，PN结InSb能够满足快

响应和高量子效率红外探测器的要求。

公式(3)表明漂移时间正比于耗尽层的宽度，而RC时间常数与耗尽区宽度成反比。因此在RC时间常数和耗尽区量子效率有关的渡越时间之间存在着一种权衡，对材料的掺杂浓度必须进行优化。

2）反向电流为[10]：

式中：Dp为空穴的扩散系数；t为产生寿命。

器件反向饱和电流密度与ND成反比，所以基区掺杂浓度不能太低，此外PN器件的R0A的大小与少子寿命和n区掺杂浓度的乘积成正比。另外，需要将表面漏电