子像元結構碲鎘汞光伏器件暗電流特性的研究

喬 輝，李向陽

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子像元結構碲鎘汞光伏器件暗電流特性的研究

喬 輝，李向陽

（中國科學院上海技術物理研究所 中科院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083）

針對碲鎘汞光伏器件的暗電流隨著物理面積增大而急劇增加，研究了子像元結構在降低大面積短波碲鎘汞光伏器件暗電流方面的有效性。發現子像元結構在室溫下相比常規結構可以有效降低器件的暗電流，但當溫度降到180K時，常規結構器件反而具有最小的暗電流，經過分析認為是子像元邊界處引入的表面漏電所致。如果器件的表面態密度和表面固定電荷過多，會使得子像元邊界在低溫下引入表面隧穿電流和表面歐姆電流，這些與邊界有關的表面漏電會成為低溫下暗電流的主要成分，從而使子像元結構失去降低器件暗電流的優勢。文章中同時給出了低溫下子像元結構可以有效降低器件暗電流的條件，并針對不同的子像元結構，提出了漏電體積這一參量來評價不同結構子像元降低器件暗電流的效果。

暗電流；子像元；光伏器件；漏電體積；碲鎘汞

0 引言

隨著紅外探測在各種航天遙感應用中的普及，許多的紅外探測需求都需要具有較大光敏感面積的紅外探測器，比如風云三號氣象衛星中用于高光譜大氣垂直探測的碲鎘汞光伏器件，其光敏面為1.25mm，嫦娥五號探月項目中用于月球礦物探測的短波紅外探測器，要求感光面積為1mm×1mm，并且器件在近室溫工作。所有這些技術要求對紅外探測器研制都提出了新的挑戰，其中一個主要的問題是隨著光敏面積的增大和工作溫度的提高，器件的暗電流水平會急劇增加。通常來說，與器件暗電流有關的電學缺陷和漏電通道只有位于結區或耗盡區內才會對器件的暗電流有明顯貢獻，那么很容易想到的一個降低暗電流的方法便是減少結區面積。pn結的少子擴散收集效應使通過電學方法來降低結區面積這一方案成為現實[1-2]。所謂少子擴散收集效應是指產生的少子在距離結區電場一個載流子擴散長度的距離時，會通過擴散效應到達結區電場而被收集，這樣可以在光敏面內形成多個子注入區即子像元，在子像元之間的區域，光照產生的載流子會通過少子擴散收集效應到達結區從而對信號產生貢獻，因此這一結構大大降低了注入區的面積，從而降低了位于或穿過結區的電學缺陷和漏電通道數量，從而達到降低器件暗電流的目的。本文中采用不同的子像元結構制備得到短波大面積碲鎘汞單元光伏器件，并對其電學特性進行了相關研究。

1 器件原理與制備

子像元碲鎘汞光伏器件的原理如圖1所示，圖1(a)中給出的是常規的pn結光伏器件，通過耗盡區及兩側的中性區產生的光生載流子在垂直方向的漂移或者擴散-漂移運動來實現對入射光的探測。圖1(b)中給出的子像元光伏器件則是主要通過子像元之間的中性區產生光生的光生載流子在水平方向的擴散-漂移運動來實現對入射光的探測，因此又稱為水平收集器件（Lateral Collection Diode）。由于子像元結構的光伏器件主要利用的是載流子的擴散效應，因此預期可以降低器件的暗電流，并且由于pn結的電學面積大大減少，結電容會明顯降低，還有利于提高器件的響應速率和帶寬。根據子像元光伏器件的原理設計了3種子像元結構的碲鎘汞光伏器件，并對其電流-電壓特性進行了初步的分析。

實驗中的n-on-p平面型碲鎘汞光伏器件按照常規工藝制備而成，p型碲鎘汞材料組分為0.49，為通過MBE方法生長得到的Si基碲鎘汞外延薄膜材料，經過清洗、腐蝕、離子注入形成n型區后表面生長400nm，ZnS薄膜作為鈍化層，然后通過光刻工藝形成p/n電極。器件制備完成后利用探針臺對其電流-電壓（-）特性進行了測試，測試溫度為室溫300K和低溫180K。圖2給出光伏器件的結構圖，光敏元尺寸為1mm。圖3給出離子注入區所采用的4種結構，A為常規結構，即離子注入區域為整個1mm的光敏區；B、C、D則為3種子像元結構，不同尺寸的子注入區均勻分布在1mm的光敏區內，其中結構B的子像元尺寸為100mm，中心間距為200mm，結構C和D的子像元尺寸為20mm，中心間距分別為40mm和80mm。為了消除材料均勻性對結果的影響，4種結構的器件在同一片材料上通過一輪工藝同步制備完成。

圖1 子像元器件結構原理

圖2 Si基短波碲鎘汞光伏器件的結構

2 實驗結果與討論

圖4給出4種結構的器件在300K和180K下的電流-電壓特性曲線的對比，可以看出4種結構在室溫和低溫下表現出不同的暗電流特性。在室溫下，暗電流主要是擴散電流和產生復合電流，常規結構A的暗電流最大；而在低溫下，暗電流主要表現為隧穿電流，常規結構A的暗電流反而最小。說明子像元結構在室溫下起到了抑制器件暗電流的效果，但在低溫下其暗電流抑制效果失效。

光伏器件的暗電流機制是分析光伏器件性能的重要理論基礎，已有許多作者對此進行了分析[3-4]。光伏器件的暗電流機制主要包括：n區和p區的擴散電流dif，勢壘區的產生復合（g-r）電流g-r，直接隧道電流btb，通過缺陷中心的間接隧道電流tat以及表面漏電。

圖3 四種不同的注入區結構

圖4 不同溫度下不同注入區結構器件的電流-電壓特性對比

圖5給出結構A器件在室溫和低溫下的反向電流-電壓特性曲線。根據光伏器件的暗電流機制，通過擴散電流、產生復合電流和表面歐姆漏電的擬合可以計算得到器件300K下的反向暗電流，如圖6所示，可以看出計算值和實驗值基本相符，計算中假設n區電子濃度為1018cm－3，p區空穴濃度為1016cm－3，產生復合中心密度為6×1014cm－3，計算中考慮了表面歐姆漏電的影響，旁路電阻為5×105W。在較低反向偏壓下計算值與實驗值相差較大是由于器件串聯電阻的影響，由于串聯電阻的存在，小反偏下器件的結電阻與串聯電阻之間產生分壓，因此器件的反偏暗電流隨著偏壓增加較慢。隨著反向偏壓增加，器件的結電阻迅速增加，串聯電阻的分壓效果逐漸降低，因此在較大反偏時計算值與實驗值符合較好。將此擬合計算中的溫度改為180K時，得到如圖7的反向暗電流，明顯可以看出，計算值與實驗值相差很大，更為明顯的是二者具有不同的內在物理機制，計算電流表現出產生復合電流的特點，而實驗值卻明顯具有隧穿電流的特征。

子像元結構的光伏器件相比傳統結構雖然pn結的電學面積降低，但其表面邊界長度卻明顯增加，更為重要的是，耗盡區在靠近表面的區域會因為表面固定電荷的原因變窄，此時隧穿過程更容易發生。假設受表面電荷影響的n型區深度為1mm，通過將表面隧穿電流和表面產生復合考慮在內后，計算得到的反向暗電流如圖8中所示，計算值與實驗值就基本相符。這里需要指出與表面歐姆電流有關的旁路電阻低溫下需修正為5×106W。在上面計算表面隧穿電流和表面產生復合電流的過程中，p型層的空穴濃度比體內高出半個量級，為6.5×1016cm－3，表面耗盡區內的產生復合中心密度值要比體內6×1014cm－3高出2個量級，達到6.3×1016cm－3，可見器件的表面電荷和表面態對于表面漏電流的影響非常明顯。在室溫下，器件中的暗電流主要來自于器件的本征熱激發[5]，以擴散電流和產生復合電流為主，隨著溫度降低，器件的本征載流子濃度i急劇降低，擴散電流隨溫度按照i2變化規律降低，空間電荷區的產生復合電流隨溫度按照i的變化規律降低，由于體內擴散電流和產生復合電流的急劇降低，使得與表面有關的表面漏電在低溫下凸顯出來成為暗電流的主要機制，因此可以認為正是由于與表面有關的隧穿電流和歐姆電流的存在使得子像元結構在低溫下失去了抑制器件暗電流的效果。考慮到子像元結構的主要特點是降低器件的結面積，如果要在低溫下仍然保持子像元結構對暗電流的抑制效果，必須使與結面積相關的體暗電流在低溫下占主導作用。對于本文中的器件，在僅僅考慮表面隧穿電流的情況下，如果體內空穴濃度為1016cm－3，如果要使體暗電流在低溫下占主導，器件的表面積累層空穴濃度不能超過5×1016cm－3。除此之外為了降低器件的表面歐姆電流，需要使器件具有盡量大的旁路電阻。

圖5 結構A器件在室溫和低溫下的反向電流-電壓特性曲線

圖6 結構A器件在300K下反向暗電流的實驗和擬合結果

圖7 結構A器件180K下反向I-V特性曲線的計算值與實驗值對比，計算值包括了擴散電流、產生復合電流和表面歐姆漏電

表1給出4種結構的相關參數。可以看出，結構A作為常規結構具有最大的注入區面積和最小的注入區邊界長度，并且低溫下器件的暗電流特性與器件的像元總周長密切相關，說明低溫下的暗電流主要來自于與像元邊界有關的表面漏電。根據文獻，對于變面積的單元光伏器件，其周長面積比（/）與表面漏電密切相關[6-7]，通常具有最小周長面積比的器件其表面漏電的影響最小，B、C和D三種子像元結構由于具有較大的周長面積比，因此其表面漏電具有較大的影響，但在子像元結構中，暗電流是來自于具有相同周長面積比的大量子像元器件的并聯，此時單個器件的周長面積比不足以評價表面漏電的影響，如表1中所示，如果就子像元單元而論，結構C和D具有相同的周長面積比，但結構C卻具有更大的暗電流。因此需要一個新的參數來評價子像元器件中表面漏電的影響。這里引入一個新的參量-周長面積之積（可以稱之為漏電體積）來對不同子像元結構對暗電流的抑制效果進行評價，從表1中可以看出，相對單元器件，具有最小的漏電體積的子像元結構具有最佳的暗電流抑制效果。

圖8 結構A器件180K的反向偏壓I-V曲線的實驗值與計算值對比，計算過程中考慮了擴散電流、產生復合電流、表面歐姆漏電以及表面隧穿電流以及表面產生復合電流

表1 各個像元結構的物理參數

3 結論

本文研究了子像元結構在降低碲鎘汞光伏器件暗電流方面的有效性。由于子像元結構的主要特點在于降低了器件的結面積，因此如果要使子像元結構能夠有效降低器件的暗電流，必須使與結面積有關的暗電流在器件暗電流中占據主導地位，這就需要降低器件中與表面有關的漏電，包括表面隧穿電流和表面歐姆電流。此外為了評價對比不同子像元結構對器件暗電流的抑制效果，提出了漏電體積這一概念，認為相對無子像元結構的器件，具有最小漏電體積的子像元結構能夠表現出最佳的暗電流抑制效果。

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Study of the Dark Current Characteristics of Sub-pixel Structure HgCdTe Photovoltaic Detectors

QIAO Hui，LI Xiangyang

(,,,200083,)

Sub-pixel structures have been applied to reduce the dark current of HgCdTe photovoltaic detectors with a large photo sensitive area, and their effectiveness has been evaluated. It was found that the sub-pixel structures led to a smaller dark current than one large pixel structure at room temperature, but they result in a greater dark current at 180 K. The analysis showed that the larger dark current at 180 K for the sub-pixel structure was caused by a surface leakage current introduced through the periphery. The surface states and fixed charges present at the interface of the passivation layer and HgCdTe surface could introduce surface tunneling current and surface shunting current, and these periphery-related surface dark current could become dominant at low temperatures, which rendered the sub-pixel structure meaningless in reducing the dark current of the large area detectors. The requirements for using sub-pixel structures at low temperatures were also given, and the term “leakage current bulk” has been put forward to assess different sub-pixel structures when used to decrease the dark current.

dark current，sub-pixel，photovoltaic detector，leakage current bulk，HgCdTe

TN215

A

1001-8891(2017)06-0489-06

2016-04-02；

2016-10-20.

喬輝（1979-），男，山東萊陽人，博士，研究方向為光電材料與器件。

國家自然科學基金（11304335）。