InSb红外探测器在中波红外波段（3～5 μm）具有良好的灵敏度和优异的可靠性。InSb光伏探测器的响应率是评价探测器性能的重要指标之一。探测器的电压信号与响应率成正比。从光敏芯片的角度提出了增大InSb红外探测器信号的方法。
据麦姆斯咨询报道，近期，华北光电技术研究所的科研团队在《红外》期刊上发表了以“InSb焦平面芯片的响应率提升研究”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为米南阳，主要从事红外探测器器件技术方面的研究工作。
本文以InSb红外光敏芯片为研究对象，分析了光敏芯片的辐照面积和p型层厚度两个因素对红外探测器响应率的影响。通过增大光敏芯片的辐照面积（优化湿法刻蚀工艺）和减小p型层的设计厚度两种方案，显著地增大了InSb红外探测器的响应率和电压信号。该研究对于优化InSb红外探测器性能和提升光学制导导弹能力具有重要意义。
实验中使用的InSb材料为n型，其浓度约为1×10¹⁸。通过热扩散方法在InSb的表面注入Cd原子，形成厚度为2～3 μm、浓度约为1×10¹⁴的p型层。采用化学腐蚀的方法去除一定厚度的p型层，获得所需的预留厚度。随后通过湿法刻蚀形成具有一定高度的台面。经过钝化、金属化等工艺后，最终获得InSb光敏芯片。
采用以下两种方案获得了3个不同的实验样品：（1）通过优化台面刻蚀工艺，在保持设计尺寸不变的情况下增大光敏芯片的辐照面积；（2）改变p型层的预留厚度。3个实验样品的具体工艺如下：对于样品A，将台面设计成边长为28 μm的正方形，并用1号腐蚀液（主要由氢氟酸和过氧化氢组成）对台面进行湿法刻蚀；对于样品B，将台面设计成边长为28 μm的正方形，并用2号腐蚀液（主要由柠檬酸和磷酸组成）对台面进行湿法刻蚀；对于样品C，将台面设计成边长为28 μm的正方形，将p型层的预留厚度设定为0.8～1.2 μm，并用2号腐蚀液（主要由柠檬酸和磷酸组成）对台面进行湿法刻蚀。
分别对以上3个样品进行光电性能测试，包括芯片的Ⅰ‐Ⅴ曲线测试以及探测器组件的电压信号测试。利用电压信号值判断探测器的响应率。所有测试均在液氮温度（77 K）下进行。
对上述样品的测试结果进行分析。其中，样品A和样品B的Ⅰ-Ⅴ测试结果如图1所示。可以看到，样品B的电流值明显大于样品A的电流值。使用1号腐蚀液进行台面湿法刻蚀的样品A，在电压为-100 mV时的电流值为-12.18 nA。使用2号腐蚀液进行台面湿法刻蚀的样品B，在电压为-100 mV时的电流值增大至-17.06nA（提升了40%）。表1和表2分别列出了样品A和样品B的探测器组件的电压信号值。
图1 样品A和样品B的Ⅰ-Ⅴ测试结果
将样品A和样品B芯片分别装进组件并对其进行测试性能。以黑体为探测目标，黑体温度分别为20℃和35℃，积分时间为1.2 mS，F数为2.3，读出电路的积分电容为384 fF。样品A的5个芯片的电压信号值分别为499 mV、465 mV、478 mV、510 mV和498 mV，平均值为490 mV。样品B的5个芯片的电压信号值分别为525 mV、535 mV、618 mV、637 mV和531 mV，平均值为569 mV。样品B芯片的信号值比样品A芯片的信号值增大了16%。
图2为具有台面结构的单个像元的示意图。可以看出，入射光从芯片背面被InSb的n型区吸收，并且在该区域内产生一定数量的光生载流子。这些光生载流子首先在浓度梯度的作用下朝着p型层和n型层的界面（即p-n结）移动。通过p-n结界面的光生载流子数量与该界面的面积大小成正比。
图2 InSb光敏芯片的单个台面结构示意图
样品A和样品B具有相同的p型层预留厚度。两个样品的差异点在于台面湿法刻蚀时使用的腐蚀液不同。湿法刻蚀具有各向同性的特点，即腐蚀液对InSb材料的各个方向均有腐蚀性。将腐蚀液对材料纵向和横向的腐蚀速率之比定义为深宽选择比。不同的腐蚀液具有不同的深宽选择比。对于样品B来说，所用的2号腐蚀液具有更高的深宽选择比，即刻蚀相同深度的台面时，其横向钻蚀更小，因此会获得更大的台面面积。样品A和样品B的台面尺寸示意图如图3所示。
图3 样品Ａ和样品Ｂ的台面尺寸示意图
减小p型层的预留厚度
样品C是在样品B更换2号腐蚀液的基础上，进一步减小了p型层的预留厚度。样品A、样品B和样品C的Ⅰ-Ⅴ测试结果如图4所示。样品C在减小p型层的预留厚度以及更换台面刻蚀的腐蚀液后，-100 mV下的电流达到-28.54 nA，相比于样品A和样品B的电流值分别增加了134.3%和67.3%。这说明减小p型层厚度对于探测器芯片的Ⅰ-Ⅴ电流值有明显的提升作用。
图4 样品A、样品B和样品C的Ⅰ-Ⅴ测试结果
对于正照射的p-on-n型红外探测器芯片，光吸收区在p区内，因此减小p型层的厚度以减少光生载流子在p型层内的复合，有助于提升器件的电压信号。以另一种正照射的单元器件为例，通过测量组件的性能，研究p型层的预留厚度对信号的影响。
对于组件E的探测器芯片，p型层的预留厚度为0.8～1.0 μm；对于组件Ｆ的探测器芯片，p型层的预留厚度为0.6～0.8 μm。测试组件E和组件F的性能，得到表3和表4所示的信号值。
从组件测试结果来看，减小p型层的厚度后，组件Ｆ的平均信号值达到了29.6 mV，相比于组件Ｅ的信号值（21.1 mV）提升了40.2%。这与Ⅰ-Ⅴ测试结果中样品C相比于样品B的电流值提升相近。
对于正照射的p-on-n型红外探测器，被探测物体产生的光被光敏芯片的p型层吸收，在该区域内产生光生载流子。光生载流子在浓度梯度的作用下扩散至p-n结界面附近。由于p-n结的存在，结区附近沿纵向分布电场，载流子在电场的作用下被p-n结捕获。当载流子跨越势垒到达n型层后，经过金属电极的引出形成电流并到达读出电路。电流越大，组件的电压信号越大。此时，光生载流子在光吸收区扩散和转移的过程中会不断地发生复合。复合后的载流子不会转换为光电流。p型层的少子寿命约为10⁻³μs。载流子在p型层的寿命更低，光生载流子很容易在p型层发生复合，导致量子效率和光电流降低，进而影响组件的信号大小。因此，通过减小p型层的预留厚度，可以减少载流子在p型区的复合数量，从而增大输出的光电流，提升组件的电压信号。样品C的p型层预留厚度小，光生载流子在p型层扩散时复合的数量最少，因此该芯片的Ⅰ-Ⅴ电流大。组件E和组件F的测试结果同样验证了这一结论。
本文研究了InSb红外探测器光敏芯片的有效光吸收面积以及p型层预留厚度对信号或响应率的影响。使用深宽选择比更高的腐蚀液进行台面刻蚀，可将台面面积增大17%。台面面积增大会引起有效光吸收面积变化，导致芯片的Ⅰ-Ⅴ电流增大了40%，电压信号值提升了16%。进一步将ｐ型层的厚度降低至0.8～1.2 μm后，光生载流子在ｐ型层的复合数量降低，载流子被引出的数量增加，芯片的Ⅰ-Ⅴ电流增大了67.3%。单元器件的组件测试结果表明，减小p型层的厚度后，组件的信号提升了40.2%。以上实验结果说明，光敏芯片吸收光子的数量以及ｐ型层的厚度均对信号或者响应率有显著的影响。这一结果对于优化InSb红外探测器光敏芯片的工艺和提升探测器的质量具有重要指导意义。未来将继续研究该结论在不同型号/规格探测器上的应用。
DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2023.07.004
