任何光電探測(cè)器在一定的強(qiáng)光照射下都會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)信號(hào)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(duì)于追求高靈敏探測(cè)的探測(cè)器研究人員來講，對(duì)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(cè)量的領(lǐng)域，飽和問題會(huì)干擾測(cè)量工作。因此提高探測(cè)器飽和閾值是這類應(yīng)用的一種需求。關(guān)于激光與探測(cè)器相互作用研究表明，光電探測(cè)器在激光輻照足夠強(qiáng)時(shí)，會(huì)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(duì)于不同的激光、不同的探測(cè)器材料、不同的探測(cè)器結(jié)構(gòu)，都會(huì)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(duì)應(yīng)的輻照功率范圍。對(duì)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(cè)器在激光輻照下產(chǎn)生飽和的機(jī)理，可以針對(duì)性地調(diào)整材料的組成、探測(cè)器結(jié)構(gòu)，對(duì)提高器件的飽和閾值，擴(kuò)大探測(cè)器的激光測(cè)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(cè)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(cè)器和寬禁帶半導(dǎo)體紫外探測(cè)器等方面的研究工作。

本文針對(duì)室溫工作的光伏型碲鎘汞中波紅外探測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)器，并測(cè)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(cè)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(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖

采用傅里葉變換紅外光譜議（FTIR）測(cè)量了器件的響應(yīng)光譜，表征了探測(cè)器光電流響應(yīng)與入射波長(zhǎng)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(cè)器。該探測(cè)器進(jìn)行了3.8 μm激光照射的飽和特性測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖2 碲鎘汞光伏型探測(cè)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(cè)器的激光響應(yīng)曲線

根據(jù)實(shí)際測(cè)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(gè)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(huì)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(jí)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(cè)器時(shí)，還需要考慮設(shè)計(jì)制備相對(duì)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(duì)較小，比如100 μm×100 μm的探測(cè)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(zhǎng)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(cè)器信號(hào)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(gè)因素。在實(shí)測(cè)器件伏安曲線數(shù)據(jù)中，實(shí)測(cè)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(gè)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(dòng)，因此會(huì)顯著降低外量子效率，這就嚴(yán)重影響了大信號(hào)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(cè)器在激光輻照下，溫升對(duì)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(cè)器串聯(lián)電阻較大，在大信號(hào)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