介紹一種具有GFPT微結(jié)構(gòu)的T2SL探測(cè)器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，一支由中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、南京大學(xué)等機(jī)構(gòu)組成的研究團(tuán)隊(duì)在Optics Express期刊上發(fā)表了題為“Gradual funnel photon trapping enhanced InAs/GaSb type-II superlattice infrared detector”的最新論文，文中提出了一種具有漸變漏斗光子捕獲（GFPT）微結(jié)構(gòu)的中紅外InAs/GaSb II類(lèi)超晶格（T2SL）探測(cè)器，利用GFPT結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光吸收和降低暗電流噪聲顯著提高了探測(cè)器性能，其黑體探測(cè)率在78K時(shí)達(dá)到了1.51×1011cm·Hz1/2。

圖1 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測(cè)器示意圖

紅外探測(cè)器已被廣泛應(yīng)用于物體識(shí)別、癌癥檢測(cè)等領(lǐng)域。目前，中紅外光敏材料主要包括碲鎘汞（HgCdTe）合金和III-V T2SL。HgCdTe合金在器件性能方面具有一些優(yōu)勢(shì)，但其低成品率和高成本限制了其可用性。InAs/GaSb T2SL材料具有較小的隧穿電流和受抑制的Auger復(fù)合機(jī)制，是HgCdTe的可能替代品，但其光吸收系數(shù)低于HgCdTe合金。

近年來(lái)，人們研究了利用介電、表面金屬和三維等離子腔結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)材料的光吸收。然而，表面金屬微結(jié)構(gòu)增加了材料的光學(xué)損耗，三維等離子體腔微結(jié)構(gòu)需要對(duì)材料外延結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。

相比之下，介電結(jié)構(gòu)是增強(qiáng)材料有效光吸收和光電轉(zhuǎn)換的可靠解決方案。J. Budhu等人將T2SL探測(cè)器耦合到Si介電天線中，以增強(qiáng)材料的光吸收。C. Y. ilGuo等人使用中紅外T2SL材料設(shè)計(jì)了一種介電諧振結(jié)構(gòu)，在可見(jiàn)光譜中實(shí)現(xiàn)響應(yīng)增強(qiáng)。

隨后，C. Guo等人提出了一種具有M勢(shì)壘的介電光子捕獲T2SL探測(cè)器，該探測(cè)器在近紅外波段的響應(yīng)度為0.86A/W。然而，光子俘獲結(jié)構(gòu)在探測(cè)器中形成了晶體缺陷和懸垂鍵，這增加了器件的泄漏暗電流。此外，在諸如PIN和PMIN等T2SL材料中，只有耗盡區(qū)附近的光子才轉(zhuǎn)換為光電流。

在探測(cè)器上制造合適的光子捕獲結(jié)構(gòu)是一個(gè)挑戰(zhàn)。因此，中紅外T2SL探測(cè)器中需要一種新的光子捕獲結(jié)構(gòu)，使其具有更好的光捕獲性能和更方便的鈍化以降低暗電流。 基于此，本論文的作者們提出了一種具有GFPT結(jié)構(gòu)的中紅外T2SL探測(cè)器。

GFPT探測(cè)器具有二維周期性漸變漏斗孔，用于有效捕光。在GFPT探測(cè)器中使用原子層沉積表面鈍化，在78K時(shí)的探測(cè)率達(dá)到1.51×1011cm·Hz1/2。由于使用了GFPT結(jié)構(gòu)，探測(cè)器性能顯著提高，實(shí)現(xiàn)了30%的寬帶光吸收增強(qiáng)，并使暗電流噪聲降低了3倍。

器件制備

他們使用標(biāo)準(zhǔn)光刻法和濕法蝕刻制造了GFPT結(jié)構(gòu)的中紅外T2SL探測(cè)器，器件的制造工藝流程如圖1所示。使用磁控濺射沉積Ti/Au（30?/500?）形成頂部和底部金屬接觸電極。隨后，用檸檬酸將GFPT結(jié)構(gòu)蝕刻（0.8μm深）至T2SL吸收區(qū)。

蝕刻掩模是一個(gè)通過(guò)激光直寫(xiě)在T2SL材料表面形成的20nm厚的S1805光刻膠孔。接下來(lái)，三甲基鋁預(yù)處理和ALD沉積的70nm Al2O3介電層分別作為化學(xué)鈍化和物理保護(hù)。最后，使用N2等離子體蝕刻打開(kāi)通過(guò)Al2O3鈍化層的窗口，以便接觸金屬電極。

圖2 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測(cè)器的制造工藝流程示意圖

器件測(cè)試結(jié)果

圖3（a）為GFPT探測(cè)器和參考探測(cè)器的傅里葉吸收光譜。當(dāng)波長(zhǎng)為2～5μm時(shí)，GFPT探測(cè)器增加了20%～40%的光吸收。利用600K黑體源，對(duì)GFPT探測(cè)器和參考探測(cè)器的響應(yīng)度進(jìn)行了表征。兩種探測(cè)器的響應(yīng)度與施加偏壓的函數(shù)關(guān)系如圖3（b）所示，其中GFPT探測(cè)器具有更高的響應(yīng)度，并且在低偏壓下表現(xiàn)出飽和。圖3（c）顯示了兩種探測(cè)器在-0.1V下對(duì)黑體源周期性斬波的光響應(yīng)。GFPT探測(cè)器和參考探測(cè)器的響應(yīng)度分別為1.36A/W和1.01A/W。

圖3 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測(cè)器的性能表征

探測(cè)器的噪聲可以用暗電流特性來(lái)描述。圖4（a）為GFPT探測(cè)器的溫度相關(guān)暗電流密度。從78K到300K，由于熱載流子生成復(fù)合和擴(kuò)散行為隨溫度升高而增強(qiáng)，器件的暗電流密度在-0.1V時(shí)增加了四個(gè)數(shù)量級(jí)。在-0.1V電壓下，GFPT探測(cè)器和參考探測(cè)器的暗電流密度分別為2.63×10??A/cm2和9.63×10??A/cm2，如圖4（b）所示。

與參考探測(cè)器相比，GFPT器件的暗電流減少了大約三倍。它證實(shí)了ALD沉積對(duì)GFPT結(jié)構(gòu)鈍化的有效性。GFPT陣列帶來(lái)的體積減小可以降低探測(cè)器的背景電流，如圖4（c）所示。在100K時(shí)，與參考器件相比，暗電流減少了20%。隨著溫度的升高，暗電流在140K時(shí)可迅速減少81%。

圖4 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測(cè)器的暗電流特性

結(jié)論

綜上所述，本文提出了一種具有GFPT微結(jié)構(gòu)的T2SL探測(cè)器，它可以通過(guò)增強(qiáng)30%的廣譜吸收和3倍的暗電流抑制來(lái)顯著提高探測(cè)器的性能。該GFPT探測(cè)器的黑體探測(cè)率在78K時(shí)達(dá)到了1.51×1011cm·Hz1/2。本研究提供了一種微結(jié)構(gòu)來(lái)改善光吸收并降低暗電流噪聲，從而進(jìn)一步提高光電探測(cè)器的探測(cè)率。

審核編輯：劉清