二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究
非制冷红外焦平面阵列（irfpa）是非制冷红外探测器的核心部件，可根据检测机制的不同细分为：热敏电阻型、热释电型、热电堆型、二极管型、场效应管型、光机械型等。其中二极管型irfpa因制造工艺可与互补金属氧化物半导体（cmos）工艺兼容，故有利于实现高阵列均匀性与高空间分辨率。
随着像素尺寸的不断缩小，二极管作为二极管型irfpa的核心敏感元件，一方面，其电学参数影响着读出电路的设计；另一方面，在性能上直接决定着器件的噪声等效温差（netd）。为此，如何在小像素情况下优化二极管成为了研究的焦点。综合考察二极管对电路以及器件性能的影响，进而指导小像素中二极管结构的设计具有必要性和重要性。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院微电子研究所、中国科学院大学和无锡物联网创新中心有限公司的联合科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“二极管型非制冷红外焦平面中二极管结构优化研究”为主题的文章。该文章第一作者为瞿帆，主要从事mems红外传感器智能化关键技术方面的研究工作；通讯作者为傅剑宇副研究员，主要从事mems红外传感器和热探测器智能化关键技术方面的研究工作。
本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列，理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响，在确定二极管最佳工作电流的同时，提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。
工作原理
以一个p区n区掺杂浓度分别为10¹⁶ cm⁻³、10¹⁸ cm⁻³的二极管为例，图1给出了利用sentaurus tcad仿真软件仿真得到的温度特性曲线。从图中可以看出，随着温度的升高，二极管i-v曲线向左偏移。当给二极管通以恒流偏置时，二极管两端的电压将随温度的升高而降低，从而实现热信号向电压信号的转换。
图1 二极管的温度特性曲线
irfpa中单个像素的结构示意图如图2所示，敏感区通过支撑梁悬空在隔热腔上方。敏感区由红外吸收层以及热敏元件，即串联的二极管组成。当红外吸收层吸收红外辐射将光能转化为热能后，恒流偏置下的串联二极管输出电压变化，该变化的电压通过支撑梁中的信号线引出与读出电路连接，最终实现探测。
图2 单个像素结构示意图
理论分析
电路性能
图3为根据相关理论公式得到的总电容ca与漏电流is随总结面积aa变化的关系曲线。从图中可以看出，总电容与漏电流随结面积的增大而增大。当总结面积小于1000 μm²时，漏电流的值在1.7 na以下，电容值保持在120 nf以下，均保持在非常小的量级范围，故对读出电路影响较小。
图3 总电容ca、漏电流is与结面积aa的理论关系
器件性能
器件性能主要包括：netd和响应时间。由于响应时间主要由结构的热学参数决定，因此，二极管作为热敏元件主要影响netd。netd是在带有焦平面阵列（fpa）的成像系统视场中，探测的目标温度发生变化时，引起输出信噪比以及读出电路信号产生最小单位变化时的温度变化量。
图4给出了响应噪声比f₀与正向偏置电流if的关系曲线。从图中可看出，随着if的增大，f₀先增大后减小，并在10 μa处，存在极大值。主要由于噪声电压vn随if的增大先减小后增大所致。因此，10 μa为二极管工作的最优正向偏置电流。
图4 响应噪声比f₀与偏置电流if的理论关系
假设结构中单个二极管的结面积均为ai时，图5给出了tcv随单个二极管结面积ai与结构中二极管串联的个数n的变化趋势图。从图中可知，当n一定时，增加二极管的结面积会使tcv增大；当结面积一定时，增加n值也会使得tcv增大，且比增大ai值提升效果更明显。
图5 tcv随结面积ai与二极管串联的个数n的变化趋势
二极管设计与比较
如图6所示，考察了6种二极管结构，分别为：（a）传统二极管结构、（b）回型二极管结构、（c）p⁺n-n⁺p二合一二极管、（d）和（e）分别为在p⁺n-n⁺p二合一二极管基础上直接拓展得到的2n⁺p-p⁺n三合一二极管和2p⁺n-n⁺p三合一二极管、以及（f）p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管。其中，结构b为本课题组张强等人提出；结构c为三菱提出；结构d是在结构c的基础上，增加了n型重掺杂区结构，构成由p⁺n、n⁺p、n⁺p组成的三合一二极管结构；结构e在结构c的基础上，增加了n阱与p型重掺杂区结构，构成了p⁺n、p⁺n、n⁺p组成的三合一二极管结构；结构f为在结构c的n阱与n型重掺杂区之间的区域加入n阱，与p型si衬底形成一个新的pn结，从而形成了p⁺n、pn、n⁺p三个二极管串联的结构，n阱中n型重掺杂区用以形成欧姆接触。按此方法可继续在结构f的基础上进行拓展，形成n合一二极管。
图6 二极管结构：（a）传统二极管；（b）回型二极管；（c）p⁺n-n⁺p二合一二极管；（d）2p⁺n-n⁺p三合一二极管；（e）2p⁺n-n⁺p三合一二极管；（f）p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管。
如前述讨论，当二极管工作在最优恒流偏置情况下，总结面积aa越大虽然会使漏电流及电容增大，但由于增大的漏电流及电容量级较小从而对读出电路的影响较小，因而aa的增大主要影响tcv的提升。在此，设pn结总结面积aa与pn结整体尺寸sa之比为有效结面积比z，
仿真数据
利用sentaurus tcad仿真软件对以上6种二极管结构进行仿真，n型与p型重掺杂区的掺杂浓度为10¹⁸ cm⁻³，n阱与p型硅的掺杂浓度为10¹⁶ cm⁻³。
图7给出了6种结构在正向电流10 μa偏置下的tcv与静态工作电压仿真结果。图7（a）展示了6种结构在不同温度下的tcv值，从大到小依次是结构f、c、e、d、b、a。对于结构d与结构e，n值虽为3，但两者的tcv值却与n＝2的结构c相接近且略小于后者，根据图7（b）六种结构的正向电压随温度变化曲线可以看出，结构d，e的正向电压值与结构c较接近，与结构f电压值相差了约1个二极管电压差（约0.6 v）。当温度变化范围较小时，tcv可看成恒定值。结构f的tcv值分别约为结构c、d、e的1.5倍，为结构a与结构b的2.6倍，3.7倍。证明了6种结构中，结构f性能最优。若在结构f的基础上拓展得到n合一二极管结构，tcv值也将因此增大。
图7 sentaurus器件仿真
之所以结构d、e相对于结构c增加了串联二极管个数，但表现出的正向电压与tcv未如理论分析的随着串联个数的增加而增加，是因为在这两个结构中，分别引入了额外的并联电阻与寄生三极管。图8（a）为结构d的等效电路图，电流在经过结构右端的p⁺n结后全部进入p型衬底区，此时结构中部拓展的n型重掺杂区范围较小，导致该区域下的衬底所寄生出的电阻r较小，r与结构中部拓展的n⁺p₁结并联，因此使得电流大部分从寄生电阻r的支路经过结构左端的n⁺p₂结流出，导致n⁺p₁结未起到提升结构tcv的作用。图8（b）为结构e的等效电路，结构右端n阱，p型衬底与结构左端的n型重掺杂区形成的npn型寄生三极管，电流在经过结构右端的p⁺n₁结后经中部拓展的p⁺n₂到达衬底，此时的衬底电位vb低于结构右端n阱的电位vc，高于结构右端n型重掺杂区的电位ve，使得寄生三极管处于导通状态，因此电流流过p⁺n₁结后直接经寄生三极管流出，使得p⁺n₂结未起到提升结构tcv的作用。
图8 等效电路图
图9为结构f随着整体尺寸减小时tcv的仿真情况。x轴表示整体尺寸面积，y轴表示tcv值的大小。从图中可得，tcv随着整体尺寸的减小而减小，这是由于整体尺寸减小使得结构f的有效结面积减小。但是结面积在减小了约700 μm²后tcv仅减小了约0.3 mv/k，即结构f在小像素尺寸下也依然具有较好的性能。
图9 结构f不同尺寸下的tcv仿真结果
总结
本文基于二极管在irfpa中的工作原理，从电路性能及器件性能的角度对二极管的主要结构影响因素进行了分析，当结构中二极管总体结面积在1000 μm²内时二极管的漏电流与寄生电容预估值保持在1.7 na及120 nf内，对电路的影响较小。响应噪声比f₀在偏置电流为10 μa附近存在极大值，故该电流为二极管的最佳偏置电流。tcv会随着二极管串联个数和结面积增加而增加，且增加二极管串联个数对tcv的提升效果明显优于增加结面积。因此，将结构中二极管的串联个数n以及总体结面积aa作为主要影响器件性能的结构影响因素。由此设计了p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管，通过理论和sentaurus tcad仿真软件对比分析发现，p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管在同样面积下具有最多的二极管个数和最大的结面积，且避免了并联电阻或寄生三极管的影响，因此为6种二极管结构设计中的最优结构。同时，在其基础上拓展可得到n合一二极管能进一步优化器件的性能，为优化irfpa中单个像素的热敏元件二极管结构提供参考。
这项研究获得中国科学院科学仪器研发项目（zdkyyq20200007）的资助和支持。
论文信息：
http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/e1de3056-41a6-41fa-8222-9055a9c4a3f2
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随着像素尺寸的不断缩小，二极管作为二极管型irfpa的核心敏感元件，一方面，其电学参数影响着读出电路的设计；另一方面，在性能上直接决定着器件的噪声等效温差（netd）。为此，如何在小像素情况下优化二极管成为了研究的焦点。综合考察二极管对电路以及器件性能的影响，进而指导小像素中二极管结构的设计具有必要性和重要性。
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工作原理
以一个p区n区掺杂浓度分别为10¹⁶ cm⁻³、10¹⁸ cm⁻³的二极管为例，图1给出了利用sentaurus tcad仿真软件仿真得到的温度特性曲线。从图中可以看出，随着温度的升高，二极管i-v曲线向左偏移。当给二极管通以恒流偏置时，二极管两端的电压将随温度的升高而降低，从而实现热信号向电压信号的转换。
图1 二极管的温度特性曲线
irfpa中单个像素的结构示意图如图2所示，敏感区通过支撑梁悬空在隔热腔上方。敏感区由红外吸收层以及热敏元件，即串联的二极管组成。当红外吸收层吸收红外辐射将光能转化为热能后，恒流偏置下的串联二极管输出电压变化，该变化的电压通过支撑梁中的信号线引出与读出电路连接，最终实现探测。
图2 单个像素结构示意图
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电路性能
图3为根据相关理论公式得到的总电容ca与漏电流is随总结面积aa变化的关系曲线。从图中可以看出，总电容与漏电流随结面积的增大而增大。当总结面积小于1000 μm²时，漏电流的值在1.7 na以下，电容值保持在120 nf以下，均保持在非常小的量级范围，故对读出电路影响较小。
图3 总电容ca、漏电流is与结面积aa的理论关系
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器件性能主要包括：netd和响应时间。由于响应时间主要由结构的热学参数决定，因此，二极管作为热敏元件主要影响netd。netd是在带有焦平面阵列（fpa）的成像系统视场中，探测的目标温度发生变化时，引起输出信噪比以及读出电路信号产生最小单位变化时的温度变化量。
图4给出了响应噪声比f₀与正向偏置电流if的关系曲线。从图中可看出，随着if的增大，f₀先增大后减小，并在10 μa处，存在极大值。主要由于噪声电压vn随if的增大先减小后增大所致。因此，10 μa为二极管工作的最优正向偏置电流。
图4 响应噪声比f₀与偏置电流if的理论关系
假设结构中单个二极管的结面积均为ai时，图5给出了tcv随单个二极管结面积ai与结构中二极管串联的个数n的变化趋势图。从图中可知，当n一定时，增加二极管的结面积会使tcv增大；当结面积一定时，增加n值也会使得tcv增大，且比增大ai值提升效果更明显。
图5 tcv随结面积ai与二极管串联的个数n的变化趋势
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图6 二极管结构：（a）传统二极管；（b）回型二极管；（c）p⁺n-n⁺p二合一二极管；（d）2p⁺n-n⁺p三合一二极管；（e）2p⁺n-n⁺p三合一二极管；（f）p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管。
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仿真数据
利用sentaurus tcad仿真软件对以上6种二极管结构进行仿真，n型与p型重掺杂区的掺杂浓度为10¹⁸ cm⁻³，n阱与p型硅的掺杂浓度为10¹⁶ cm⁻³。
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图7 sentaurus器件仿真
之所以结构d、e相对于结构c增加了串联二极管个数，但表现出的正向电压与tcv未如理论分析的随着串联个数的增加而增加，是因为在这两个结构中，分别引入了额外的并联电阻与寄生三极管。图8（a）为结构d的等效电路图，电流在经过结构右端的p⁺n结后全部进入p型衬底区，此时结构中部拓展的n型重掺杂区范围较小，导致该区域下的衬底所寄生出的电阻r较小，r与结构中部拓展的n⁺p₁结并联，因此使得电流大部分从寄生电阻r的支路经过结构左端的n⁺p₂结流出，导致n⁺p₁结未起到提升结构tcv的作用。图8（b）为结构e的等效电路，结构右端n阱，p型衬底与结构左端的n型重掺杂区形成的npn型寄生三极管，电流在经过结构右端的p⁺n₁结后经中部拓展的p⁺n₂到达衬底，此时的衬底电位vb低于结构右端n阱的电位vc，高于结构右端n型重掺杂区的电位ve，使得寄生三极管处于导通状态，因此电流流过p⁺n₁结后直接经寄生三极管流出，使得p⁺n₂结未起到提升结构tcv的作用。
图8 等效电路图
图9为结构f随着整体尺寸减小时tcv的仿真情况。x轴表示整体尺寸面积，y轴表示tcv值的大小。从图中可得，tcv随着整体尺寸的减小而减小，这是由于整体尺寸减小使得结构f的有效结面积减小。但是结面积在减小了约700 μm²后tcv仅减小了约0.3 mv/k，即结构f在小像素尺寸下也依然具有较好的性能。
图9 结构f不同尺寸下的tcv仿真结果
总结
本文基于二极管在irfpa中的工作原理，从电路性能及器件性能的角度对二极管的主要结构影响因素进行了分析，当结构中二极管总体结面积在1000 μm²内时二极管的漏电流与寄生电容预估值保持在1.7 na及120 nf内，对电路的影响较小。响应噪声比f₀在偏置电流为10 μa附近存在极大值，故该电流为二极管的最佳偏置电流。tcv会随着二极管串联个数和结面积增加而增加，且增加二极管串联个数对tcv的提升效果明显优于增加结面积。因此，将结构中二极管的串联个数n以及总体结面积aa作为主要影响器件性能的结构影响因素。由此设计了p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管，通过理论和sentaurus tcad仿真软件对比分析发现，p⁺n-pn-n⁺p三合一二极管在同样面积下具有最多的二极管个数和最大的结面积，且避免了并联电阻或寄生三极管的影响，因此为6种二极管结构设计中的最优结构。同时，在其基础上拓展可得到n合一二极管能进一步优化器件的性能，为优化irfpa中单个像素的热敏元件二极管结构提供参考。
这项研究获得中国科学院科学仪器研发项目（zdkyyq20200007）的资助和支持。
论文信息：
http://hwjs.nvir.cn/cn/article/id/e1de3056-41a6-41fa-8222-9055a9c4a3f2
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