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user: 3. 优化探测器暗电流的方法 3.1. 钝化技术对暗电流的优化 表面漏电流是探测器在生产时不可忽视的部分，更是影响暗电流大小的重要因素。其主要来源于p-i-n结侧壁的少数载流子，并且受到SRH过程控制，并在探测器工作过程中由TAT过程得到增强 [ 9 ]。因此，为减小少数载流子的扩散，Yuan Dong采用了与互补金属氧化物半导体兼容的硅表面钝化技术，在光电二极管的Al顶电极和底电极之间镀一层氧化硅薄膜抑制了侧壁的悬挂键、限制了载流子的扩散运动从而使表面漏电流降低了两个数量级 [ 10 ]。根据已有研究表明过渡金属硫化物电子迁移率较低，与此同时，随着黑硅制备技术的不断发展，利用飞秒激光作用处于400 mbar的SF 6 气体环境中的硅片可以得到纹理均匀性较好、同质性较高、带有纳米尖锐微结构的黑硅 [ 11 ]，这为高响应度、低暗电流光电探测器的制备提供了很好的条件。于是进晓荣等人于2020年在黑硅光电探测器的制备流程中通过等离子体增强化学气相沉积的方式在黑硅表面沉积了一层a-Si…H钝化层，黑硅表面在低温和富氧环境下产生了大量的Si-H键，原有的悬挂键密度急速减小，表面态得到了大幅抑制，在−5 V偏压下将黑硅光电探测器的暗电流降到了7.8 μA，实验结果见图2 [ 12 ]。钝化工艺在降低探测器表面漏电流方面已经得到了各国研究人员的极大认可，同时降低工艺温度和使用两步生长法也为钝化工艺的改进指明了方向。 图2. 黑硅光电探测器光生电流和暗电流随偏压的变化曲线 3.2. I层厚度对暗电流的优化 对于PIN光电探测器，I层本征层厚度对其暗电流和灵敏度的影响占据重要作用。2013年，王巍模拟仿真了不同I层厚度下探测器的I-V特性曲线，并得到了当偏置电压为10 V时，I层厚度为5 μm、30 μm、50 μm、70 μm时对应光生电流分别为16 μA、1.2 μA、1.1 μA、0.09 μA的结论，由此可以看出，随着I层厚度的增加，光生电流不断减小 [ 13 ]。由此可见，为了保证探测器响应度以及降低暗电流在光生电流中的比重，应适当增加I层厚度，于是，王鑫团队选取了光敏层厚度分别为120 nm、160 nm、180 nm、200 nm的探测器，并进行了150℃退火10 min的处理，随着器件I层厚度的增加，暗电流密度逐渐减小，在−0.1 V偏压下，200~120 nm厚光敏层探测器的暗电流分别为2.34 × 10 −6 A/cm 2 、2.43 × 10 −6 A/cm 2 、2.91 × 10 −6 A/cm 2 、4.96 × 10 −6 A/cm 2 ，其结果见图3。综上所述，为保证探测器有较高的响应度和较低的暗电流，适当增加I层厚度是较为理想的选择。 图3. (a) I层厚度为5 μm时，探测器的I-V特性曲线；(b) I层厚度为30 μm时，探测器的I-V特性曲线；(c) I层厚度为50 μm时，探测器的I-V特性曲线；(d) I层厚度为70 μm时，探测器的I-V特性曲线 3.3. 掺杂技术对暗电流的优化 掺杂技术的不同以及离子注入浓度的变化都会导致光电器件产生不同程度的缺陷、损伤，最终影响载流子的数量，致使光电器件性能下降。随着MBE原位掺杂技术的出现，这一问题逐渐得到解决。MBE原位掺杂技术可以有效避免离子注入过程中对器件造成的损伤，从而大幅降低缺陷的数量，改善探测器的灵敏度。为了更深入的探寻降低暗电流的方法，2017年赵真典等人使用MBE掺杂技术结合能使衬底上缺陷密度大量减小的HgCdTe材料，降低了过多的S-H复合中心的数量和陷阱浓度，最终实现了暗电流的抑制 [ 14 ]。工艺技术的改进往往离不开参数的优化，所以2021年，夏少杰等人通过研究p-i-n InP/InGaAs光电探测器的暗电流与吸收层掺杂浓度的关系，发现了探测器的暗电流随着掺杂浓度的增加而不断减小；当探测器工作在−0.6 V偏置电压时，掺杂浓度为5 × 10 15 /cm 3 、1 × 10 16 /cm 3 、5 × 10 16 /cm 3 的吸收层所产生的暗电流分别为4.5 × 10 −8 A/cm 3 、4 × 10 −8 A/cm 3 、2 × 10 −8 A/cm 3 ，这主要是由于探测器空间耗尽区的宽度正比于接触电势差，当耗尽区没有完全耗尽时，随着掺杂浓度的增加，吸收层的电场强度逐渐变小，接触电势差一直降低，进一步导致耗尽区宽度变窄，最终使光生电流减小，暗电流迅速下降 [ 15 ]。因此，在不影响探测器性能的前提下选择背景掺杂浓度较大的材料作为探测器的衬底可以在一定程度上减小其暗电流。 3.4. 温度对暗电流的优化 光电探测器在生产过程中的退火温度以及实际应用中的工作温度对于探测性能的影响至关重要，因此，本节从环境工作温度和退火温度两方面阐述温度影响探测器暗电流的物理机制，从而找出减小暗电流的方法。覃钢研究团队和张小倩团队发现当工作偏压和背景不变的情况下，温度升高会导致本征热激发载流子浓度呈现指数增长趋势，同时温度的升高也会导致每个像元的移动强度差异性变大，从而大幅增大暗电流 [ 16 ] [ 17 ]。当硅锗波导光电探测器工作在反向偏压时，p-i-n结的扩散电流成为影响暗电流的主要因素，并且耗尽区固有的扩散电流与工作温度呈正相关的关系。由于环境温度可以严重影响探测器的热噪声、暗电流噪声以及击穿电压等参数 [ 18 ]。于是李欣采用p型HgCdTe薄膜材料，利用离子刻蚀成结的方式制备光伏探测器，并利用LakeShore340温控仪以及Keithley4200进行了20~200 K温度范围内变温I-V特性测试，结果表明暗电流随温度的降低而不断减小，但是，值得注意的是不同温度范围主导暗电流的产生机制有所不同，温度 < 70 K时，暗电流主要是由扩散电流及产生复合电流所主导，当温度处于70~120 K时，辅助隧道电流主导暗电流的产生 [ 19 ]。 为了进一步获得温度对探测器暗电流的影响机制，2014年，白宏刚模拟仿真了不同电场强度下暗电流对工作温度的依赖性，其结果见图4；同时深入阐述了其中的物理机制，温度升高将直接导致电子的热发射使越来越多的电子从量子点中逃逸，从而形成更大的暗电流 [ 20 ]。 图4. 不同电场强度下暗电流与温度的关系曲线 2020年，高诗佳等人选择了基于180 nm光敏层的光电探测器进行了100℃、120℃、130℃、140℃、150℃的退火实验，并与无退火的情况下进行对比，发现了经过退火处理的探测器暗电流明显小于不退火的。而且在−0.1 V偏压下，探测器在130℃时，有最小的暗电流密度1.78 × 10 −6 A/cm 2 ，相比于不退火的情况下，暗电流降低了28% [ 21 ]。 综上所述，在生产探测器时应选择适当的退火温度，与此同时，为了降低实际应用中暗电流对探测器响应度、灵敏度等电学参数的影响，采用制冷措施降低其工作温度是减小暗电流，提高信噪比最有效的途径。 3.5. 电场隔离结构对暗电流的优化 由于探测器在生产过程中，划片、刻蚀等工艺流程会造成晶格失配从而引起错配位错和穿线位错等现象，最终增加漏电流，所以，2003年，盛丽艳通过在探测器外围加入保护环结构，减小了光电探测器的漏电流，达到了降低暗电流的效果 [ 22 ]。为了降低探测器工作状态下，载流子的无规则运动，2017年，丰亚洁等人通过研究载流子在半导体中的传输机制，发现了当小尺寸的光电探测器工作在低偏压时，与周长有关的暗电流占据主导作用 [ 23 ]，并且通过采用电场隔离的方法可以将光敏面与外部隔离开以隔绝外界对有源区的干扰，最终消除器件边缘的漏电通道，起到减小探测器暗电流的目的。2020年，郑照强等人通过脉冲激光沉积技术制备了面外垂直In 2 Se 3 /SnSe 2 异质结构的平面光电探测器阵列，同时利用垂直内建电场来抑制暗电流的产生并且分离光生载流子，达到了减小暗电流，提高探测器信噪比的效果 [ 24 ]。根据已有研究表明，在探测器内部引入保护环结构可以有效改善PIN结构的暗电流特性，所以，王巍模拟仿真了有无保护环的情况下探测器暗电流的大小，成功的将保护环对暗电流的减小作用由定性分析转变成了定量计算，同时我们也可以得到，随着偏压的不断增加，暗电流趋于平稳的状态，其主要原因是内部电场与等势面相接时，pn结的耗尽区不在向侧面扩展，最终导致暗电流不再随偏压发生明显变化 [ 25 ]。 3.6. 结面积对暗电流的优化 由图5 PIN阵列结构可知，通过研究pn结面积对探测器暗电流的影响机制有助于掌握减小暗电流的方法。于是2009年，张可锋设计了InP衬底上分子束外延生长的PIN In0.78Ga0.22As/InP原位掺杂外延材料，并得出了暗电流随pn结面积增加而增加的结论 [ 26 ]，为以后从结面积角度降低暗电流奠定了基础，但是pn结面积对于暗电流的影响机制尚不明确，因此，王巍通过理论模型，并仿真分析了器件结面积与暗电流的内在联系，其结果见图6 [ 27 ]。从图中可以看出，暗电流、光电流随着结面积的减小而不断减小，但是暗电流的减小幅度远大于光电流，因此通过减小结面积降低探测器暗电流的本质实际上是提高了光电流与暗电流的比值，从而实现了探测器信噪比的提高 [ 28 ] [ 29 ]。所以，我们应在不影响探测器性能的前提下尽量减小pn结的结面积。 图5. 硅基PIN阵列结构图 图6. 探测器不同结面积对应的I-V特性曲线