InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波紅外探測器的表面處理研究

InAs/GaSb Ⅱ類超晶格近年來得到迅速的發(fā)展，是最有前景的紅外光電探測材料之一。隨著探測器像元中心距不斷減小，對于臺面結(jié)器件，其側(cè)壁漏電將占據(jù)主導地位，這對超晶格探測器的臺面制備和鈍化工藝都提出了很高的要求。

臺面結(jié)紅外探測器一般通過濕法腐蝕或干法刻蝕來實現(xiàn)像元間的隔離。在臺面形成過程中，半導體晶體周期性結(jié)構(gòu)的突然終止，會導致表面懸掛鍵的生成，并導致表面缺陷與表面能帶彎曲，因此對于長波探測器，更容易表現(xiàn)出嚴重的側(cè)壁漏電。近年來，為了抑制InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波探測器的側(cè)壁漏電，獲得高性能的長波紅外探測器，國內(nèi)外研究人員不斷嘗試各種表面處理和鈍化方式。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術(shù)物理研究所周易研究員的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波紅外探測器的表面處理研究”為主題的文章。

該文章探索并研究了Ⅱ類超晶格長波探測器的表面處理工藝，通過對不同處理工藝形成臺面器件的暗電流分析，發(fā)現(xiàn)N2O等離子處理結(jié)合快速熱退火（RTA）的優(yōu)化工藝能夠顯著改善長波器件的電學性能。然后，通過不同面積陣列結(jié)構(gòu)提取并分析了側(cè)壁漏電分量，對于50%截止波長12.3μm的長波器件，在液氮溫度、-0.05V偏置下，表面處理后暗電流密度從5.88×10-1A/cm2降低至4.6×10-2A/cm2，零偏下表面電阻率從17.7Ωcm提高至284.4Ωcm，有效降低側(cè)壁漏電流。接著，利用側(cè)壁柵控結(jié)構(gòu)進行表面漏電機制的驗證，驗證了長波器件存在純并聯(lián)電阻及表面隧穿兩種主要漏電機制。最后，對表面處理前后的暗電流進行擬合，處理后器件表面電荷濃度為3.72×1011cm-2。

器件表面處理實驗過程

Ⅱ類超晶格長波紅外探測材料采用分子束外延（MBE）技術(shù)生長獲得。器件采用PBIBN結(jié)構(gòu)以降低吸收區(qū)的電場強度，從而抑制體暗電流中產(chǎn)生的復(fù)合電流和隧穿電流。

材料外延完成后，制備了如表1的5個樣品。為了研究和區(qū)分器件體暗電流與側(cè)壁漏電，將1、2、3號樣品制備為不同表面處理方式，不同面積器件陣列（VADA），其光敏元為直徑200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm和500μm圓形臺面。所有光敏元臺面采用標準光刻技術(shù)和電感耦合等離子體干法刻蝕實現(xiàn)，在臺面形成后，使用NaClO：H2O=1：10溶液浸泡30s去除表面刻蝕損傷。之后，2號、3號樣品采用了N2O等離子體進行3min表面處理，3號樣品再進行氮氣氛圍下250℃、1min的快速熱退火處理。所有樣品通過等離子體電感耦合化學氣相沉積生長300nm厚Si3N4介質(zhì)層作為探測器鈍化層后，利用電子束蒸發(fā)設(shè)備沉積Ti/Pt/Au作為接觸電極，如圖1（a）所示。同時1號、3號樣品還制備了臺面直徑400μm的柵控器件（GD），其主要區(qū)別是在側(cè)壁鈍化層上沉積了如圖1（b）所示的柵電極（圖中顯示為淺黃色、標注為Gate區(qū)域），柵極金屬的制備采用了優(yōu)化側(cè)壁覆蓋的生長工藝，并引出測試電極。柵控器件的主要特點是可通過柵極電壓控制側(cè)壁表面勢，進而研究側(cè)壁與表面電荷相關(guān)的漏電信息。

圖1 InAs/GaSb超晶格探測器結(jié)構(gòu)示意圖：（a）為常規(guī)結(jié)構(gòu)器件；（b）為柵控結(jié)構(gòu)器件。

器件性能表征

器件制備完成并通過杜瓦封裝后，利用傅里葉變換紅外光譜儀測試其液氮溫度下的響應(yīng)光譜特性，不同處理工藝下樣品的響應(yīng)光譜沒有變化，50%截止波長為12.3μm。再利用Keythley4200測試系統(tǒng)在液氮溫度下測試其電流-電壓特性。

圖2（a），（b），（c）分別是1、2、3號樣品中臺面直徑為200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm和500μm的器件在液氮溫度下的暗電流密度-電壓曲線。對于200μm直徑器件，在-50mV小偏壓下，3號樣品的暗電流密度約為4.6×10-2A/cm2，明顯優(yōu)于1號樣品的5.88×10-1A/cm2和2號樣品的1.46×10-1A/cm2。說明N2O等離子體和快速熱退火的混合工藝能夠有效的降低器件暗電流。

圖2 不同處理工藝樣品、不同臺面面積器件的暗電流密度-電壓特性曲線：（a）1號無處理未退火；（b）2號N2O處理未退火；（c）3號N2O處理并退火；（d）1、2、3號樣品直徑200μm的光敏元。

通過R0A與P/A的線性擬合，即可得到R0Abulk以及表面電阻率r0surface（Ωcm）的大小，如圖3所示。不同面積器件系列中均存在側(cè)壁漏電流，圖中的線性擬合斜率的倒數(shù)即為零偏時的r0surface的大小。1號樣品中的電學性能隨光敏元尺寸變化最大，表面并聯(lián)電阻率僅17.7Ωcm，對應(yīng)著嚴重的側(cè)壁漏電流存在，超過了長波探測器體暗電流大??；而經(jīng)過優(yōu)化工藝處理后的3號樣品，其表面并聯(lián)電阻率有了明顯提升，約為284.4Ωcm，相較未進行表面處理的1號器件提升了約16.1倍。且對于3號樣品，不同面積器件在小反偏下均表現(xiàn)出相當?shù)模≧0A）-1，說明了優(yōu)化工藝對側(cè)壁漏電有很顯著的抑制效果，且具有很好的穩(wěn)定性。

圖3 變面積光敏元的(R0A)-1與P/A的關(guān)系。

隨后，對1號、3號樣品還制備了柵控結(jié)構(gòu)器件1-GD、3-GD，柵控器件能夠有效地拆分與表面勢相關(guān)的側(cè)壁漏電流，通過調(diào)節(jié)柵壓，可以調(diào)節(jié)表面勢，改變表面電荷數(shù)量。1-GD、3-GD器件在不同柵壓下的IV曲線如圖4所示，1號器件在不同柵壓下暗電流未發(fā)生明顯變化，說明該器件表面漏電不受柵壓的影響，表現(xiàn)出純并聯(lián)電阻主導的特性。而3號器件在測試柵壓從-10V變化至40V的過程中，暗電流在小反偏下幾乎不變，但在大反偏下，暗電流密度逐漸降低，這說明大反偏隧穿電流由表面電荷引起。

圖4 不同柵壓下樣品暗電流隨電壓的變化：（a）1號無處理未退火；（b）3號N2O處理并退火。

柵控器件驗證了，長波器件會存在與表面勢無關(guān)的純并聯(lián)電阻，而優(yōu)化工藝能夠增加側(cè)壁并聯(lián)電阻率；另一方面，大偏壓下的電流上升則是由表面電荷所導致的。

1號、3號樣品的電流機制擬合結(jié)果，如圖5所示。暗電流的擬合結(jié)果表明，表面并聯(lián)電阻率rsurface與零偏時推導得到的表面電阻率r0surface的數(shù)值相當，進一步說明零偏下，器件的表面漏電由表面并聯(lián)電阻機制主導。結(jié)合N2O等離子與快速熱退火的混合處理工藝，將表面并聯(lián)電阻率從17.9Ωcm提升至297.6Ωcm，提升了約16.6倍。而通過擬合BTB隧穿電流則可得到3號樣品仍存在較高的表面有效載流子濃度Neff=9.60×1016cm-3，進而計算得到表面電荷濃度Qs=3.72×1011cm-2。表面高濃度有效載流子增加了隧穿機制的發(fā)生幾率，結(jié)合柵控結(jié)果表明，聚集的空穴使得表面局域有效載流子濃度變大，在大反偏壓下，結(jié)區(qū)電場強度高，帶間隧穿電流主導其表面漏電。

圖5 0柵壓下側(cè)壁漏電流的數(shù)值擬合：（a）1號未處理未退火；（b）3號N2O處理退火（主圖縱坐標為對數(shù)坐標，左下角圖縱坐標為線性坐標）。

結(jié)論

這篇文章研究了InAs/GaSb Ⅱ類超晶格光電探測器側(cè)壁的表面性質(zhì)，通過不同面積光敏元的電流-電壓測試，擬合提取出側(cè)壁的暗電流密度。并通過柵控結(jié)構(gòu)器件的變柵壓實驗，驗證了長波器件存在純并聯(lián)電阻及表面隧穿兩種主要漏電機制。N2O等離子處理可以消除部分表面懸掛鍵，結(jié)合N2O等離子與快速熱退火的混合處理工藝可以進一步降低器件的側(cè)壁漏電流。對兩個器件的側(cè)壁漏電流進行擬合，結(jié)合工藝使表面并聯(lián)電阻率從17.9Ωcm增加至297.6Ωcm，大大提高了器件的整體電學性能，但是器件在大反偏壓下仍有較大的隧穿漏電，是由于存在一定濃度的表面電荷。

這項研究獲得國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0402403）、國家自然科學基金（61974152，61904183，61534006，1505237，61505235）、中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員（2016219）和上海市青年科技啟明星項目（20QA141500）的支持。

審核編輯：湯梓紅