二極管型非制冷紅外焦平面中二極管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

非制冷紅外焦平面陣列（IRFPA）是非制冷紅外探測器的核心部件，可根據(jù)檢測機制的不同細分為：熱敏電阻型、熱釋電型、熱電堆型、二極管型、場效應(yīng)管型、光機械型等。其中二極管型IRFPA因制造工藝可與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容，故有利于實現(xiàn)高陣列均勻性與高空間分辨率。

隨著像素尺寸的不斷縮小，二極管作為二極管型IRFPA的核心敏感元件，一方面，其電學參數(shù)影響著讀出電路的設(shè)計；另一方面，在性能上直接決定著器件的噪聲等效溫差（NETD）。為此，如何在小像素情況下優(yōu)化二極管成為了研究的焦點。綜合考察二極管對電路以及器件性能的影響，進而指導小像素中二極管結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有必要性和重要性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院微電子研究所、中國科學院大學和無錫物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心有限公司的聯(lián)合科研團隊在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“二極管型非制冷紅外焦平面中二極管結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究”為主題的文章。該文章第一作者為瞿帆，主要從事MEMS紅外傳感器智能化關(guān)鍵技術(shù)方面的研究工作；通訊作者為傅劍宇副研究員，主要從事MEMS紅外傳感器和熱探測器智能化關(guān)鍵技術(shù)方面的研究工作。

本文針對二極管型非制冷紅外焦平面陣列，理論分析了敏感元件二極管對讀出電路以及器件性能的影響，在確定二極管最佳工作電流的同時，提煉出二極管結(jié)構(gòu)中串聯(lián)個數(shù)以及結(jié)面積為主要性能影響因素。

工作原理

以一個p區(qū)n區(qū)摻雜濃度分別為101? cm?3、101? cm?3的二極管為例，圖1給出了利用Sentaurus TCAD仿真軟件仿真得到的溫度特性曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，二極管I-V曲線向左偏移。當給二極管通以恒流偏置時，二極管兩端的電壓將隨溫度的升高而降低，從而實現(xiàn)熱信號向電壓信號的轉(zhuǎn)換。

圖1 二極管的溫度特性曲線

IRFPA中單個像素的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，敏感區(qū)通過支撐梁懸空在隔熱腔上方。敏感區(qū)由紅外吸收層以及熱敏元件，即串聯(lián)的二極管組成。當紅外吸收層吸收紅外輻射將光能轉(zhuǎn)化為熱能后，恒流偏置下的串聯(lián)二極管輸出電壓變化，該變化的電壓通過支撐梁中的信號線引出與讀出電路連接，最終實現(xiàn)探測。

圖2 單個像素結(jié)構(gòu)示意圖

理論分析

電路性能

圖3為根據(jù)相關(guān)理論公式得到的總電容Ca與漏電流Is隨總結(jié)面積Aa變化的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，總電容與漏電流隨結(jié)面積的增大而增大。當總結(jié)面積小于1000 μm2時，漏電流的值在1.7 nA以下，電容值保持在120 nF以下，均保持在非常小的量級范圍，故對讀出電路影響較小。

圖3 總電容Ca、漏電流Is與結(jié)面積Aa的理論關(guān)系

器件性能

器件性能主要包括：NETD和響應(yīng)時間。由于響應(yīng)時間主要由結(jié)構(gòu)的熱學參數(shù)決定，因此，二極管作為熱敏元件主要影響NETD。NETD是在帶有焦平面陣列（FPA）的成像系統(tǒng)視場中，探測的目標溫度發(fā)生變化時，引起輸出信噪比以及讀出電路信號產(chǎn)生最小單位變化時的溫度變化量。

圖4給出了響應(yīng)噪聲比f?與正向偏置電流If的關(guān)系曲線。從圖中可看出，隨著If的增大，f?先增大后減小，并在10 μA處，存在極大值。主要由于噪聲電壓Vn隨If的增大先減小后增大所致。因此，10 μA為二極管工作的最優(yōu)正向偏置電流。

圖4 響應(yīng)噪聲比f?與偏置電流If的理論關(guān)系

假設(shè)結(jié)構(gòu)中單個二極管的結(jié)面積均為Ai時，圖5給出了TCV隨單個二極管結(jié)面積Ai與結(jié)構(gòu)中二極管串聯(lián)的個數(shù)N的變化趨勢圖。從圖中可知，當N一定時，增加二極管的結(jié)面積會使TCV增大；當結(jié)面積一定時，增加N值也會使得TCV增大，且比增大Ai值提升效果更明顯。

圖5 TCV隨結(jié)面積Ai與二極管串聯(lián)的個數(shù)N的變化趨勢

二極管設(shè)計與比較

如圖6所示，考察了6種二極管結(jié)構(gòu)，分別為：（a）傳統(tǒng)二極管結(jié)構(gòu)、（b）回型二極管結(jié)構(gòu)、（c）p?n-n?p二合一二極管、（d）和（e）分別為在p?n-n?p二合一二極管基礎(chǔ)上直接拓展得到的2n?p-p?n三合一二極管和2p?n-n?p三合一二極管、以及（f）p?n-pn-n?p三合一二極管。其中，結(jié)構(gòu)b為本課題組張強等人提出；結(jié)構(gòu)c為三菱提出；結(jié)構(gòu)d是在結(jié)構(gòu)c的基礎(chǔ)上，增加了n型重摻雜區(qū)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成由p?n、n?p、n?p組成的三合一二極管結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)e在結(jié)構(gòu)c的基礎(chǔ)上，增加了n阱與p型重摻雜區(qū)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了p?n、p?n、n?p組成的三合一二極管結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)f為在結(jié)構(gòu)c的n阱與n型重摻雜區(qū)之間的區(qū)域加入n阱，與p型Si襯底形成一個新的pn結(jié)，從而形成了p?n、pn、n?p三個二極管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，n阱中n型重摻雜區(qū)用以形成歐姆接觸。按此方法可繼續(xù)在結(jié)構(gòu)f的基礎(chǔ)上進行拓展，形成N合一二極管。

圖6 二極管結(jié)構(gòu)：（a）傳統(tǒng)二極管；（b）回型二極管；（c）p?n-n?p二合一二極管；（d）2p?n-n?p三合一二極管；（e）2p?n-n?p三合一二極管；（f）p?n-pn-n?p三合一二極管。

如前述討論，當二極管工作在最優(yōu)恒流偏置情況下，總結(jié)面積Aa越大雖然會使漏電流及電容增大，但由于增大的漏電流及電容量級較小從而對讀出電路的影響較小，因而Aa的增大主要影響TCV的提升。在此，設(shè)pn結(jié)總結(jié)面積Aa與pn結(jié)整體尺寸Sa之比為有效結(jié)面積比Z，

仿真數(shù)據(jù)

利用Sentaurus TCAD仿真軟件對以上6種二極管結(jié)構(gòu)進行仿真，n型與p型重摻雜區(qū)的摻雜濃度為101? cm?3，n阱與p型硅的摻雜濃度為101? cm?3。

圖7給出了6種結(jié)構(gòu)在正向電流10 μA偏置下的TCV與靜態(tài)工作電壓仿真結(jié)果。圖7（a）展示了6種結(jié)構(gòu)在不同溫度下的TCV值，從大到小依次是結(jié)構(gòu)f、c、e、d、b、a。對于結(jié)構(gòu)d與結(jié)構(gòu)e，N值雖為3，但兩者的TCV值卻與N＝2的結(jié)構(gòu)c相接近且略小于后者，根據(jù)圖7（b）六種結(jié)構(gòu)的正向電壓隨溫度變化曲線可以看出，結(jié)構(gòu)d，e的正向電壓值與結(jié)構(gòu)c較接近，與結(jié)構(gòu)f電壓值相差了約1個二極管電壓差（約0.6 V）。當溫度變化范圍較小時，TCV可看成恒定值。結(jié)構(gòu)f的TCV值分別約為結(jié)構(gòu)c、d、e的1.5倍，為結(jié)構(gòu)a與結(jié)構(gòu)b的2.6倍，3.7倍。證明了6種結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)f性能最優(yōu)。若在結(jié)構(gòu)f的基礎(chǔ)上拓展得到N合一二極管結(jié)構(gòu)，TCV值也將因此增大。

圖7 Sentaurus器件仿真

之所以結(jié)構(gòu)d、e相對于結(jié)構(gòu)c增加了串聯(lián)二極管個數(shù)，但表現(xiàn)出的正向電壓與TCV未如理論分析的隨著串聯(lián)個數(shù)的增加而增加，是因為在這兩個結(jié)構(gòu)中，分別引入了額外的并聯(lián)電阻與寄生三極管。圖8（a）為結(jié)構(gòu)d的等效電路圖，電流在經(jīng)過結(jié)構(gòu)右端的p?n結(jié)后全部進入p型襯底區(qū)，此時結(jié)構(gòu)中部拓展的n型重摻雜區(qū)范圍較小，導致該區(qū)域下的襯底所寄生出的電阻r較小，r與結(jié)構(gòu)中部拓展的n?p?結(jié)并聯(lián)，因此使得電流大部分從寄生電阻r的支路經(jīng)過結(jié)構(gòu)左端的n?p?結(jié)流出，導致n?p?結(jié)未起到提升結(jié)構(gòu)TCV的作用。圖8（b）為結(jié)構(gòu)e的等效電路，結(jié)構(gòu)右端n阱，p型襯底與結(jié)構(gòu)左端的n型重摻雜區(qū)形成的npn型寄生三極管，電流在經(jīng)過結(jié)構(gòu)右端的p?n?結(jié)后經(jīng)中部拓展的p?n?到達襯底，此時的襯底電位VB低于結(jié)構(gòu)右端n阱的電位VC，高于結(jié)構(gòu)右端n型重摻雜區(qū)的電位VE，使得寄生三極管處于導通狀態(tài)，因此電流流過p?n?結(jié)后直接經(jīng)寄生三極管流出，使得p?n?結(jié)未起到提升結(jié)構(gòu)TCV的作用。

圖8 等效電路圖

圖9為結(jié)構(gòu)f隨著整體尺寸減小時TCV的仿真情況。X軸表示整體尺寸面積，Y軸表示TCV值的大小。從圖中可得，TCV隨著整體尺寸的減小而減小，這是由于整體尺寸減小使得結(jié)構(gòu)f的有效結(jié)面積減小。但是結(jié)面積在減小了約700 μm2后TCV僅減小了約0.3 mV/K，即結(jié)構(gòu)f在小像素尺寸下也依然具有較好的性能。

圖9 結(jié)構(gòu)f不同尺寸下的TCV仿真結(jié)果

總結(jié)

本文基于二極管在IRFPA中的工作原理，從電路性能及器件性能的角度對二極管的主要結(jié)構(gòu)影響因素進行了分析，當結(jié)構(gòu)中二極管總體結(jié)面積在1000 μm2內(nèi)時二極管的漏電流與寄生電容預(yù)估值保持在1.7 nA及120 nF內(nèi)，對電路的影響較小。響應(yīng)噪聲比f?在偏置電流為10 μA附近存在極大值，故該電流為二極管的最佳偏置電流。TCV會隨著二極管串聯(lián)個數(shù)和結(jié)面積增加而增加，且增加二極管串聯(lián)個數(shù)對TCV的提升效果明顯優(yōu)于增加結(jié)面積。因此，將結(jié)構(gòu)中二極管的串聯(lián)個數(shù)N以及總體結(jié)面積Aa作為主要影響器件性能的結(jié)構(gòu)影響因素。由此設(shè)計了p?n-pn-n?p三合一二極管，通過理論和Sentaurus TCAD仿真軟件對比分析發(fā)現(xiàn)，p?n-pn-n?p三合一二極管在同樣面積下具有最多的二極管個數(shù)和最大的結(jié)面積，且避免了并聯(lián)電阻或寄生三極管的影響，因此為6種二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。同時，在其基礎(chǔ)上拓展可得到N合一二極管能進一步優(yōu)化器件的性能，為優(yōu)化IRFPA中單個像素的熱敏元件二極管結(jié)構(gòu)提供參考。

這項研究獲得中國科學院科學儀器研發(fā)項目（ZDKYYQ20200007）的資助和支持。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/e1de3056-41a6-41fa-8222-9055a9c4a3f2

審核編輯 ：李倩