中波紅外碲鎘汞室溫探測器激光輻照飽和特性的仿真

任何光電探測器在一定的強(qiáng)光照射下都會出現(xiàn)響應(yīng)信號偏離線性比例的現(xiàn)象，稱之為飽和現(xiàn)象。通常情況下，飽和現(xiàn)象出現(xiàn)在較高的光照強(qiáng)度下，因此對于追求高靈敏探測的探測器研究人員來講，對飽和情況出現(xiàn)機(jī)理的研究關(guān)心較少。然而在一些強(qiáng)光測量的領(lǐng)域，飽和問題會干擾測量工作。因此提高探測器飽和閾值是這類應(yīng)用的一種需求。關(guān)于激光與探測器相互作用研究表明，光電探測器在激光輻照足夠強(qiáng)時(shí)，會出現(xiàn)光飽和、熱效應(yīng)、熱損傷及熱應(yīng)力產(chǎn)生的力學(xué)損傷等現(xiàn)象。

通常來說，對于不同的激光、不同的探測器材料、不同的探測器結(jié)構(gòu)，都會有不同的飽和、輸出異常、眩光、損傷、破壞機(jī)制以及與這些機(jī)制對應(yīng)的輻照功率范圍。對于關(guān)注器件飽和閾值的研究工作而言，拓展器件的線性響應(yīng)范圍，使其工作在大功率激光輻照下是器件的研制目標(biāo)。因此，研究光電探測器在激光輻照下產(chǎn)生飽和的機(jī)理，可以針對性地調(diào)整材料的組成、探測器結(jié)構(gòu)，對提高器件的飽和閾值，擴(kuò)大探測器的激光測量使用范圍，是有現(xiàn)實(shí)意義的。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所、西北核技術(shù)研究所和中國科學(xué)院大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“中波紅外碲鎘汞室溫探測器激光輻照飽和特性的仿真”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為李向陽研究員，主要從事窄禁帶半導(dǎo)體紅外探測器和寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測器等方面的研究工作。

本文針對室溫工作的光伏型碲鎘汞中波紅外探測器激光輻照飽和特性進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，中紅外激光對碲鎘汞材料的加熱效應(yīng)以及光照導(dǎo)致零偏壓阻抗降低，是影響探測器輸出量子效率的重要因素。

實(shí)驗(yàn)制備

利用液相外延的碲鎘汞薄膜材料制備了室溫工作的中波紅外探測器，并測量了其飽和閾值。實(shí)驗(yàn)中采用汞空位摻雜的p型碲鎘汞液相外延材料，材料的組分x為0.29，室溫下p型空穴濃度約為1×101?cm?3，利用B?離子注入的方法，制備n?-on-p平面型探測器芯片，n?區(qū)電子濃度約為2×101?cm?3。器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 中波紅外碲鎘汞光伏型探測器的結(jié)構(gòu)示意圖

采用傅里葉變換紅外光譜議（FTIR）測量了器件的響應(yīng)光譜，表征了探測器光電流響應(yīng)與入射波長的關(guān)系，結(jié)果如圖2（a）所示。器件的伏安曲線如圖2（b）所示。通過金屬管殼封裝，將芯片制備為單元探測器。該探測器進(jìn)行了3.8 μm激光照射的飽和特性測量，測量結(jié)果如圖3所示。

圖2 碲鎘汞光伏型探測器：(a)響應(yīng)光譜，(b)伏安曲線

圖3 中波紅外碲鎘汞光伏型探測器的激光響應(yīng)曲線

根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果可以看出，器件在1 W/cm2功率密度下基本上能夠保持線性，但是到了3~4 W/cm2照度下表現(xiàn)出飽和特征。按照0~2 W/cm2區(qū)間的線性推導(dǎo)，在10 W/cm2照度下，外量子效率下降到只有原來的40%左右。

仿真結(jié)果

本文根據(jù)不同文獻(xiàn)整理并梳理了碲鎘汞計(jì)算參數(shù)模型以及光的吸收和熱轉(zhuǎn)換模型。

而后采用公開源代碼的一維數(shù)值仿真框架，并綜合考慮了所梳理的碲鎘汞禁帶寬度、遷移率、復(fù)合機(jī)制、光學(xué)吸收和熱傳導(dǎo)等各項(xiàng)參數(shù)及其與溫度的關(guān)系，根據(jù)溫度分布解析公式，為數(shù)值計(jì)算過程中每一個差分單元設(shè)定相應(yīng)的溫度，并且將光產(chǎn)生的產(chǎn)生項(xiàng)添加到漂移擴(kuò)散方程的求解中，并將溫度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散項(xiàng)考慮進(jìn)去。對器件特性進(jìn)行了一維仿真計(jì)算，計(jì)算得到的室溫下器件典型伏安曲線如圖4所示。設(shè)置不同芯片溫度計(jì)算得到暗場下器件的零偏壓阻抗面積之積（R?A）關(guān)系如圖5所示。將不同襯底厚度對應(yīng)的溫度分布代入到仿真計(jì)算的程序中，計(jì)算得到的結(jié)果如圖6所示。

圖4 中波紅外碲鎘汞pn結(jié)一維仿真得到的I-V曲線

圖5 中波紅外碲鎘汞pn結(jié)R?A隨溫度變化的仿真結(jié)果

圖6 考慮激光照射產(chǎn)生溫升的影響，計(jì)算得到的器件內(nèi)量子效率的變化

計(jì)算結(jié)果表明，在1 W/cm2照度附近下，隨著襯底厚度的增加，即溫升值的增加，量子效率線性下降。當(dāng)入射功率很大的時(shí)候，襯底的厚度不能過大，且必須要保證傳熱的良好性，因此襯底厚度最好小于100 μm。另外，即使沒有考慮溫升的影響，器件的量子效率也會隨著CdZnTe襯底厚度的增大而降低。仿真計(jì)算中器件在光照下的R?A特性表現(xiàn)如圖7所示。

圖7 計(jì)算得到的R?A隨照度發(fā)生變化的曲線

雖然襯底厚度不同導(dǎo)致的溫度增加，影響了器件零偏壓電阻，但是沒有考慮溫度效應(yīng)的曲線也在光功率達(dá)到一定量級后出現(xiàn)了下降，呈現(xiàn)出飽和特性，這說明激光強(qiáng)烈的激發(fā)非平衡載流子，等效地導(dǎo)致了本征載流子濃度的增加，從而導(dǎo)致器件的零偏壓阻抗急劇降低。

器件的零偏壓電阻與電極歐姆接觸等構(gòu)成的等效串聯(lián)阻抗共同影響外量子效率，所以制備高飽和閾值探測器時(shí)，還需要考慮設(shè)計(jì)制備相對較小的歐姆接觸電阻。如果器件在室溫工作，則器件的R?A相對較小，比如100 μm×100 μm的探測器芯片結(jié)阻抗，室溫下只有50~100 Ω。如果要求電極歐姆接觸電阻的影響小于10%，則等效總串聯(lián)電阻要小于10 Ω。根據(jù)推算，一根長3 mm直徑20 μm的金絲電阻就有0.3 Ω左右。所以，在室溫工作的中波紅外探測器信號輸出回路上，良好的導(dǎo)電性是研制高飽和閾值器件需要考慮的一個因素。在實(shí)測器件伏安曲線數(shù)據(jù)中，實(shí)測器件的總串聯(lián)電阻高達(dá)50 Ω左右，當(dāng)電流較大時(shí)，串聯(lián)電阻兩端產(chǎn)生的電壓降不可忽略，這個電壓反作用在pn結(jié)兩端，相當(dāng)于理想pn結(jié)的工作點(diǎn)從零偏壓向正向偏壓移動，因此會顯著降低外量子效率，這就嚴(yán)重影響了大信號的輸出。在上述兩種機(jī)制的共同作用下，仿真計(jì)算結(jié)果顯示，器件出現(xiàn)飽和的激光輻照功率閾值范圍在1~10 W/cm2，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

結(jié)論

利用一維數(shù)值仿真計(jì)算了中波光伏型碲鎘汞芯片的飽和閾值與溫度的關(guān)系。仿真表明，探測器在激光輻照下，溫升對器件電流輸出飽和特性有較大影響。另外，還要關(guān)注器件在強(qiáng)光照射下的等效R?A變小的問題。由于目前研制探測器串聯(lián)電阻較大，在大信號輸出時(shí)電阻壓降問題也是器件飽和閾值限值重要因素之一。

審核編輯 ：李倩