InSb紅外探測(cè)器在中波紅外波段（3～5 μm）具有良好的靈敏度和優(yōu)異的可靠性。InSb光伏探測(cè)器的響應(yīng)率是評(píng)價(jià)探測(cè)器性能的重要指標(biāo)之一。探測(cè)器的電壓信號(hào)與響應(yīng)率成正比。從光敏芯片的角度提出了增大InSb紅外探測(cè)器信號(hào)的方法。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“InSb焦平面芯片的響應(yīng)率提升研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為米南陽，主要從事紅外探測(cè)器器件技術(shù)方面的研究工作。

本文以InSb紅外光敏芯片為研究對(duì)象，分析了光敏芯片的輻照面積和p型層厚度兩個(gè)因素對(duì)紅外探測(cè)器響應(yīng)率的影響。通過增大光敏芯片的輻照面積（優(yōu)化濕法刻蝕工藝）和減小p型層的設(shè)計(jì)厚度兩種方案，顯著地增大了InSb紅外探測(cè)器的響應(yīng)率和電壓信號(hào)。該研究對(duì)于優(yōu)化InSb紅外探測(cè)器性能和提升光學(xué)制導(dǎo)導(dǎo)彈能力具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用的InSb材料為n型，其濃度約為1×101?。通過熱擴(kuò)散方法在InSb的表面注入Cd原子，形成厚度為2～3 μm、濃度約為1×101?的p型層。采用化學(xué)腐蝕的方法去除一定厚度的p型層，獲得所需的預(yù)留厚度。隨后通過濕法刻蝕形成具有一定高度的臺(tái)面。經(jīng)過鈍化、金屬化等工藝后，最終獲得InSb光敏芯片。

采用以下兩種方案獲得了3個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)樣品：（1）通過優(yōu)化臺(tái)面刻蝕工藝，在保持設(shè)計(jì)尺寸不變的情況下增大光敏芯片的輻照面積；（2）改變p型層的預(yù)留厚度。3個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品的具體工藝如下：對(duì)于樣品A，將臺(tái)面設(shè)計(jì)成邊長(zhǎng)為28 μm的正方形，并用1號(hào)腐蝕液（主要由氫氟酸和過氧化氫組成）對(duì)臺(tái)面進(jìn)行濕法刻蝕；對(duì)于樣品B，將臺(tái)面設(shè)計(jì)成邊長(zhǎng)為28 μm的正方形，并用2號(hào)腐蝕液（主要由檸檬酸和磷酸組成）對(duì)臺(tái)面進(jìn)行濕法刻蝕；對(duì)于樣品C，將臺(tái)面設(shè)計(jì)成邊長(zhǎng)為28 μm的正方形，將p型層的預(yù)留厚度設(shè)定為0.8～1.2 μm，并用2號(hào)腐蝕液（主要由檸檬酸和磷酸組成）對(duì)臺(tái)面進(jìn)行濕法刻蝕。

分別對(duì)以上3個(gè)樣品進(jìn)行光電性能測(cè)試，包括芯片的Ⅰ‐Ⅴ曲線測(cè)試以及探測(cè)器組件的電壓信號(hào)測(cè)試。利用電壓信號(hào)值判斷探測(cè)器的響應(yīng)率。所有測(cè)試均在液氮溫度（77 K）下進(jìn)行。

結(jié)果及分析

增大光敏芯片的輻照面積

對(duì)上述樣品的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。其中，樣品A和樣品B的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果如圖1所示?？梢钥吹?，樣品B的電流值明顯大于樣品A的電流值。使用1號(hào)腐蝕液進(jìn)行臺(tái)面濕法刻蝕的樣品A，在電壓為-100 mV時(shí)的電流值為-12.18 nA。使用2號(hào)腐蝕液進(jìn)行臺(tái)面濕法刻蝕的樣品B，在電壓為-100 mV時(shí)的電流值增大至-17.06nA（提升了40%）。表1和表2分別列出了樣品A和樣品B的探測(cè)器組件的電壓信號(hào)值。

圖1 樣品A和樣品B的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果

將樣品A和樣品B芯片分別裝進(jìn)組件并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試性能。以黑體為探測(cè)目標(biāo)，黑體溫度分別為20℃和35℃，積分時(shí)間為1.2 mS，F(xiàn)數(shù)為2.3，讀出電路的積分電容為384 fF。樣品A的5個(gè)芯片的電壓信號(hào)值分別為499 mV、465 mV、478 mV、510 mV和498 mV，平均值為490 mV。樣品B的5個(gè)芯片的電壓信號(hào)值分別為525 mV、535 mV、618 mV、637 mV和531 mV，平均值為569 mV。樣品B芯片的信號(hào)值比樣品A芯片的信號(hào)值增大了16%。

圖2為具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)的單個(gè)像元的示意圖?？梢钥闯?，入射光從芯片背面被InSb的n型區(qū)吸收，并且在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一定數(shù)量的光生載流子。這些光生載流子首先在濃度梯度的作用下朝著p型層和n型層的界面（即p-n結(jié)）移動(dòng)。通過p-n結(jié)界面的光生載流子數(shù)量與該界面的面積大小成正比。

圖2 InSb光敏芯片的單個(gè)臺(tái)面結(jié)構(gòu)示意圖

樣品A和樣品B具有相同的p型層預(yù)留厚度。兩個(gè)樣品的差異點(diǎn)在于臺(tái)面濕法刻蝕時(shí)使用的腐蝕液不同。濕法刻蝕具有各向同性的特點(diǎn)，即腐蝕液對(duì)InSb材料的各個(gè)方向均有腐蝕性。將腐蝕液對(duì)材料縱向和橫向的腐蝕速率之比定義為深寬選擇比。不同的腐蝕液具有不同的深寬選擇比。對(duì)于樣品B來說，所用的2號(hào)腐蝕液具有更高的深寬選擇比，即刻蝕相同深度的臺(tái)面時(shí)，其橫向鉆蝕更小，因此會(huì)獲得更大的臺(tái)面面積。樣品A和樣品B的臺(tái)面尺寸示意圖如圖3所示。

圖3 樣品Ａ和樣品Ｂ的臺(tái)面尺寸示意圖

減小p型層的預(yù)留厚度

樣品C是在樣品B更換2號(hào)腐蝕液的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小了p型層的預(yù)留厚度。樣品A、樣品B和樣品C的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果如圖4所示。樣品C在減小p型層的預(yù)留厚度以及更換臺(tái)面刻蝕的腐蝕液后，-100 mV下的電流達(dá)到-28.54 nA，相比于樣品A和樣品B的電流值分別增加了134.3%和67.3%。這說明減小p型層厚度對(duì)于探測(cè)器芯片的Ⅰ-Ⅴ電流值有明顯的提升作用。

圖4 樣品A、樣品B和樣品C的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果

對(duì)于正照射的p-on-n型紅外探測(cè)器芯片，光吸收區(qū)在p區(qū)內(nèi)，因此減小p型層的厚度以減少光生載流子在p型層內(nèi)的復(fù)合，有助于提升器件的電壓信號(hào)。以另一種正照射的單元器件為例，通過測(cè)量組件的性能，研究p型層的預(yù)留厚度對(duì)信號(hào)的影響。

對(duì)于組件E的探測(cè)器芯片，p型層的預(yù)留厚度為0.8～1.0 μm；對(duì)于組件Ｆ的探測(cè)器芯片，p型層的預(yù)留厚度為0.6～0.8 μm。測(cè)試組件E和組件F的性能，得到表3和表4所示的信號(hào)值。

從組件測(cè)試結(jié)果來看，減小p型層的厚度后，組件Ｆ的平均信號(hào)值達(dá)到了29.6 mV，相比于組件Ｅ的信號(hào)值（21.1 mV）提升了40.2%。這與Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果中樣品C相比于樣品B的電流值提升相近。

對(duì)于正照射的p-on-n型紅外探測(cè)器，被探測(cè)物體產(chǎn)生的光被光敏芯片的p型層吸收，在該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生光生載流子。光生載流子在濃度梯度的作用下擴(kuò)散至p-n結(jié)界面附近。由于p-n結(jié)的存在，結(jié)區(qū)附近沿縱向分布電場(chǎng)，載流子在電場(chǎng)的作用下被p-n結(jié)捕獲。當(dāng)載流子跨越勢(shì)壘到達(dá)n型層后，經(jīng)過金屬電極的引出形成電流并到達(dá)讀出電路。電流越大，組件的電壓信號(hào)越大。此時(shí)，光生載流子在光吸收區(qū)擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移的過程中會(huì)不斷地發(fā)生復(fù)合。復(fù)合后的載流子不會(huì)轉(zhuǎn)換為光電流。p型層的少子壽命約為10?3μs。載流子在p型層的壽命更低，光生載流子很容易在p型層發(fā)生復(fù)合，導(dǎo)致量子效率和光電流降低，進(jìn)而影響組件的信號(hào)大小。因此，通過減小p型層的預(yù)留厚度，可以減少載流子在p型區(qū)的復(fù)合數(shù)量，從而增大輸出的光電流，提升組件的電壓信號(hào)。樣品C的p型層預(yù)留厚度小，光生載流子在p型層擴(kuò)散時(shí)復(fù)合的數(shù)量最少，因此該芯片的Ⅰ-Ⅴ電流大。組件E和組件F的測(cè)試結(jié)果同樣驗(yàn)證了這一結(jié)論。

結(jié)束語

本文研究了InSb紅外探測(cè)器光敏芯片的有效光吸收面積以及p型層預(yù)留厚度對(duì)信號(hào)或響應(yīng)率的影響。使用深寬選擇比更高的腐蝕液進(jìn)行臺(tái)面刻蝕，可將臺(tái)面面積增大17%。臺(tái)面面積增大會(huì)引起有效光吸收面積變化，導(dǎo)致芯片的Ⅰ-Ⅴ電流增大了40%，電壓信號(hào)值提升了16%。進(jìn)一步將ｐ型層的厚度降低至0.8～1.2 μm后，光生載流子在ｐ型層的復(fù)合數(shù)量降低，載流子被引出的數(shù)量增加，芯片的Ⅰ-Ⅴ電流增大了67.3%。

單元器件的組件測(cè)試結(jié)果表明，減小p型層的厚度后，組件的信號(hào)提升了40.2%。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，光敏芯片吸收光子的數(shù)量以及ｐ型層的厚度均對(duì)信號(hào)或者響應(yīng)率有顯著的影響。這一結(jié)果對(duì)于優(yōu)化InSb紅外探測(cè)器光敏芯片的工藝和提升探測(cè)器的質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。未來將繼續(xù)研究該結(jié)論在不同型號(hào)/規(guī)格探測(cè)器上的應(yīng)用。

審核編輯：劉清