任何光電探測器在一定的中波強光照射下都會出現響應信號偏離線性比例的現象，稱之為飽和現象。紅外通常情況下，碲鎘的仿飽和現象出現在較高的汞室光照強度下，因此對于追求高靈敏探測的溫探探測器研究人員來講，對飽和情況出現機理的測器研究關心較少。然而在一些強光測量的激光領域，飽和問題會干擾測量工作。輻照因此提高探測器飽和閾值是飽和這類應用的一種需求。關于激光與探測器相互作用研究表明，特性光電探測器在激光輻照足夠強時，中波會出現光飽和、紅外熱效應、碲鎘的仿熱損傷及熱應力產生的汞室力學損傷等現象。
通常來說，溫探對于不同的激光、不同的探測器材料、不同的探測器結構，都會有不同的飽和、輸出異常、眩光、損傷、破壞機制以及與這些機制對應的輻照功率范圍。對于關注器件飽和閾值的研究工作而言，拓展器件的線性響應范圍，使其工作在大功率激光輻照下是器件的研制目標。因此，研究光電探測器在激光輻照下產生飽和的機理，可以針對性地調整材料的組成、探測器結構，對提高器件的飽和閾值，擴大探測器的激光測量使用范圍，是有現實意義的。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所、西北核技術研究所和中國科學院大學的聯合科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“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體紅外探測器和寬禁帶半導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行了仿真，結果表明，中紅外激光對碲鎘汞材料的加熱效應以及光照導致零偏壓阻抗降低，是影響探測器輸出量子效率的重要因素。
實驗制備
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。實驗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?區電子濃度約為2×101?cm?3。器件的結構如圖1所示。
圖1 中波紅外碲鎘汞光伏型探測器的結構示意圖
采用傅里葉變換紅外光譜議（FTIR）測量了器件的響應光譜，表征了探測器光電流響應與入射波長的關系，結果如圖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。該探測器進行了3.8 μm激光照射的飽和特性測量，測量結果如圖3所示。
圖2 碲鎘汞光伏型探測器：(a)響應光譜，(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曲線
根據實際測量結果可以看出，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照度下表現出飽和特征。按照0~2 W/cm2區間的線性推導，在10 W/cm2照度下，外量子效率下降到只有原來的40%左右。
仿真結果
本文根據不同文獻整理并梳理了碲鎘汞計算參數模型以及光的吸收和熱轉換模型。
而后采用公開源代碼的一維數值仿真框架，并綜合考慮了所梳理的碲鎘汞禁帶寬度、遷移率、復合機制、光學吸收和熱傳導等各項參數及其與溫度的關系，根據溫度分布解析公式，為數值計算過程中每一個差分單元設定相應的溫度，并且將光產生的產生項添加到漂移擴散方程的求解中，并將溫度梯度產生的擴散項考慮進去。對器件特性進行了一維仿真計算，計算得到的室溫下器件典型伏安曲線如圖4所示。設置不同芯片溫度計算得到暗場下器件的零偏壓阻抗面積之積（R?A）關系如圖5所示。將不同襯底厚度對應的溫度分布代入到仿真計算的程序中，計算得到的結果如圖6所示。
圖4 中波紅外碲鎘汞pn結一維仿真得到的I-V曲線
圖5 中波紅外碲鎘汞pn結R?A隨溫度變化的仿真結果
圖6 考慮激光照射產生溫升的影響，計算得到的器件內量子效率的變化
計算結果表明，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。當入射功率很大的時候，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。仿真計算中器件在光照下的R?A特性表現如圖7所示。
圖7 計算得到的R?A隨照度發生變化的曲線
雖然襯底厚度不同導致的溫度增加，影響了器件零偏壓電阻，但是沒有考慮溫度效應的曲線也在光功率達到一定量級后出現了下降，呈現出飽和特性，這說明激光強烈的激發非平衡載流子，等效地導致了本征載流子濃度的增加，從而導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成的等效串聯阻抗共同影響外量子效率，所以制備高飽和閾值探測器時，還需要考慮設計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%，則等效總串聯電阻要小于10 Ω。根據推算，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，良好的導電性是研制高飽和閾值器件需要考慮的一個因素。在實測器件伏安曲線數據中，實測器件的總串聯電阻高達50 Ω左右，當電流較大時，串聯電阻兩端產生的電壓降不可忽略，這個電壓反作用在pn結兩端，相當于理想pn結的工作點從零偏壓向正向偏壓移動，因此會顯著降低外量子效率，這就嚴重影響了大信號的輸出。在上述兩種機制的共同作用下，仿真計算結果顯示，器件出現飽和的激光輻照功率閾值范圍在1~10 W/cm2，與實驗結果吻合較好。
結論
利用一維數值仿真計算了中波光伏型碲鎘汞芯片的飽和閾值與溫度的關系。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，還要關注器件在強光照射下的等效R?A變小的問題。由于目前研制探測器串聯電阻較大，在大信號輸出時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
