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，其電學參數影響著讀出電路的設計；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構的設計具有必要性和重要性。

據麥姆斯咨詢報道，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網創新中心有限公司的聯合科研團隊在《紅外技術》期刊上發表了以“二極管型非制冷紅外焦平面中二極管結構優化研究”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鍵技術方面的研究工作；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鍵技術方面的研究工作。

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，提煉出二極管結構中串聯個數以及結面積為主要性能影響因素。

工作原理

以一個p區n區摻雜濃度分別為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，從而實現熱信號向電壓信號的轉換。

圖1 二極管的溫度特性曲線

IRFPA中單個像素的結構示意圖如圖2所示，敏感區通過支撐梁懸空在隔熱腔上方。敏感區由紅外吸收層以及熱敏元件，即串聯的二極管組成。當紅外吸收層吸收紅外輻射將光能轉化為熱能后，恒流偏置下的串聯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，最終實現探測。

圖2 單個像素結構示意圖

理論分析

電路性能

圖3為根據相關理論公式得到的總電容Ca與漏電流Is隨總結面積Aa變化的關系曲線。從圖中可以看出，總電容與漏電流隨結面積的增大而增大。當總結面積小于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與結面積Aa的理論關系

器件性能

器件性能主要包括：NETD和響應時間。由于響應時間主要由結構的熱學參數決定，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）的成像系統視場中，探測的目標溫度發生變化時，引起輸出信噪比以及讀出電路信號產生最小單位變化時的溫度變化量。

圖4給出了響應噪聲比f?與正向偏置電流If的關系曲線。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正向偏置電流。

圖4 響應噪聲比f?與偏置電流If的理論關系

假設結構中單個二極管的結面積均為Ai時，圖5給出了TCV隨單個二極管結面積Ai與結構中二極管串聯的個數N的變化趨勢圖。從圖中可知，當N一定時，增加二極管的結面積會使TCV增大；當結面積一定時，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隨結面積Ai與二極管串聯的個數N的變化趨勢

二極管設計與比較

如圖6所示，考察了6種二極管結構，分別為：（a）傳統二極管結構、（b）回型二極管結構、（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，結構b為本課題組張強等人提出；結構c為三菱提出；結構d是在結構c的基礎上，增加了n型重摻雜區結構，構成由p?n、n?p、n?p組成的三合一二極管結構；結構e在結構c的基礎上，增加了n阱與p型重摻雜區結構，構成了p?n、p?n、n?p組成的三合一二極管結構；結構f為在結構c的n阱與n型重摻雜區之間的區域加入n阱，與p型Si襯底形成一個新的pn結，從而形成了p?n、pn、n?p三個二極管串聯的結構，n阱中n型重摻雜區用以形成歐姆接觸。按此方法可繼續在結構f的基礎上進行拓展，形成N合一二極管。

圖6 二極管結構：（a）傳統二極管；（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恒流偏置情況下，總結面積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pn結總結面積Aa與pn結整體尺寸Sa之比為有效結面積比Z，

仿真數據

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

圖7給出了6種結構在正向電流10 μA偏置下的TCV與靜態工作電壓仿真結果。圖7（a）展示了6種結構在不同溫度下的TCV值，從大到小依次是結構f、c、e、d、b、a。對于結構d與結構e，N值雖為3，但兩者的TCV值卻與N＝2的結構c相接近且略小于后者，根據圖7（b）六種結構的正向電壓隨溫度變化曲線可以看出，結構d，e的正向電壓值與結構c較接近，與結構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。結構f的TCV值分別約為結構c、d、e的1.5倍，為結構a與結構b的2.6倍，3.7倍。證明了6種結構中，結構f性能最優。若在結構f的基礎上拓展得到N合一二極管結構，TCV值也將因此增大。

圖7 Sentaurus器件仿真

之所以結構d、e相對于結構c增加了串聯二極管個數，但表現出的正向電壓與TCV未如理論分析的隨著串聯個數的增加而增加，是因為在這兩個結構中，分別引入了額外的并聯電阻與寄生三極管。圖8（a）為結構d的等效電路圖，電流在經過結構右端的p?n結后全部進入p型襯底區，此時結構中部拓展的n型重摻雜區范圍較小，導致該區域下的襯底所寄生出的電阻r較小，r與結構中部拓展的n?p?結并聯，因此使得電流大部分從寄生電阻r的支路經過結構左端的n?p?結流出，導致n?p?結未起到提升結構TCV的作用。圖8（b）為結構e的等效電路，結構右端n阱，p型襯底與結構左端的n型重摻雜區形成的npn型寄生三極管，電流在經過結構右端的p?n?結后經中部拓展的p?n?到達襯底，此時的襯底電位VB低于結構右端n阱的電位VC，高于結構右端n型重摻雜區的電位VE，使得寄生三極管處于導通狀態，因此電流流過p?n?結后直接經寄生三極管流出，使得p?n?結未起到提升結構TCV的作用。

圖8 等效電路圖

圖9為結構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構f的有效結面積減小。但是結面積在減小了約700 μm2后TCV僅減小了約0.3 mV/K，即結構f在小像素尺寸下也依然具有較好的性能。

圖9 結構f不同尺寸下的TCV仿真結果

總結

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構影響因素進行了分析，當結構中二極管總體結面積在1000 μm2內時二極管的漏電流與寄生電容預估值保持在1.7 nA及120 nF內，對電路的影響較小。響應噪聲比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會隨著二極管串聯個數和結面積增加而增加，且增加二極管串聯個數對TCV的提升效果明顯優于增加結面積。因此，將結構中二極管的串聯個數N以及總體結面積Aa作為主要影響器件性能的結構影響因素。由此設計了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現，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和最大的結面積，且避免了并聯電阻或寄生三極管的影響，因此為6種二極管結構設計中的最優結構。同時，在其基礎上拓展可得到N合一二極管能進一步優化器件的性能，為優化IRFPA中單個像素的熱敏元件二極管結構提供參考。

這項研究獲得中國科學院科學儀器研發項目（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