基于原位摻雜和淺臺(tái)面型架構(gòu)的短波紅外InGaAs光電二極管開發(fā)

隨著安防、汽車、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域需求的不斷增長(zhǎng)，短波紅外（SWIR）傳感器的發(fā)展也隨之興起。在1 ~ 2.5 μm的短波紅外波段，硅材料是準(zhǔn)透明的，因此，需要通過改變吸收材料來實(shí)現(xiàn)該波段光子的吸收。基于InGaAs的短波紅外傳感器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，該結(jié)構(gòu)由一層外延生長(zhǎng)于InP襯底上的厚膜低摻雜N-InGaAs吸收層組成。InGaAs圖像傳感器的制造目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大尺寸、大規(guī)模的Si-CMOS兼容工藝。

圖1 InGaAs光電二極管經(jīng)不同制造工藝處理后的截面示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)（Univ. Grenoble Alpes，UGA）和法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心（CNRS）組成的科研團(tuán)隊(duì)在Sensors期刊上發(fā)表了以“Design and Characterization of 5 μm Pitch InGaAs Photodiodes Using In Situ Doping and Shallow Mesa Architecture for SWIR Sensing”為主題的論文。該論文的第一作者為Jules Tillement，通訊作者為Jules Tillement和Frédéric Boeuf。

這項(xiàng)研究介紹了用于短波紅外傳感的淺臺(tái)面型光電二極管的完整設(shè)計(jì)、制造和表征。對(duì)于InGaAs光電二極管的制造而言，關(guān)鍵工藝步驟是通過在N型堆疊中創(chuàng)建P區(qū)來定義每個(gè)像素。以往的研究報(bào)道了多種替代方案，包括Zn擴(kuò)散、Be離子注入以及淺臺(tái)面型架構(gòu)。

淺臺(tái)面型架構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是在低反向偏壓下從InGaAs吸收層收集光生載流子，以匹配讀出集成電路（ROIC）的需求。少數(shù)載流子必須穿過如圖2所示的模擬能帶圖上的異質(zhì)結(jié)。N-InP層鈍化了小間隙InGaAs層，但異質(zhì)結(jié)為空穴收集引入了阻礙勢(shì)壘。為了克服勢(shì)壘，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為通過引入一個(gè)電場(chǎng)來吸引處于平衡狀態(tài)的載流子。

圖2 模擬結(jié)構(gòu)在平衡狀態(tài)下的能帶圖

隨后，研究人員利用Synopsys Sentaurus軟件對(duì)該器件進(jìn)行模擬，旨在尋找抑制收集路徑靜電壁壘的參數(shù)。這項(xiàng)理論研究使研究人員找到一組抑制空穴收集勢(shì)壘的摻雜濃度和厚度參數(shù)。這組參數(shù)已被用于設(shè)定InGaAs光電二極管制造的外延堆疊。

淺臺(tái)面型光電二極管的原理圖和簡(jiǎn)化工藝如圖3所示。所有層均生長(zhǎng)于3英寸InP襯底上（見圖3a）。通過蝕刻P型層進(jìn)行像素定義（見圖3b和圖4a）。然后，該器件通過介電沉積鈍化。最后一步是制造二極管和N金屬觸點(diǎn)（見圖3c）。

圖3 淺臺(tái)面型結(jié)構(gòu)制造工藝流程的簡(jiǎn)化示意圖

圖4 完成制造工藝流程后的掃描電鏡圖（SEM）

接著，研究人員首先在15 μm大像素上比較了兩種工藝，以分析鈍化對(duì)暗電流性能的影響。然后，采用最合適的工藝制備了5 μm像素間距的InGaAs光電二極管，并對(duì)其進(jìn)行表征。最后，展示了3 μm像素間距的InGaAs光電二極管，作為像素間距縮減的案例。圖5顯示了該結(jié)構(gòu)的橫截面及其暗電流的潛在來源。

圖5 該結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖及其暗電流的潛在來源

研究人員還使用既往研究中具有小間距和低暗電流的InGaAs光電二極管的最新數(shù)據(jù)與本研究的器件性能進(jìn)行對(duì)比（參見圖6）。與迄今為止報(bào)道的臺(tái)面型架構(gòu)相比，本研究提出的創(chuàng)新架構(gòu)的性能有了重大改進(jìn)。

圖6 本研究在制造InGaAs光電二極管方面的成果（藍(lán)色）與現(xiàn)有最新技術(shù)的比較

綜上所述，憑借創(chuàng)新的淺臺(tái)面型架構(gòu)，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)并制備了性能優(yōu)異的InGaAs光電二極管。在- 0.1 V和室溫下，像素間距為5 μm時(shí)，該器件暗電流可低至5 nA/cm2。采用InP襯底和無抗反射涂層時(shí)，外部量子效率（QE）為54%。經(jīng)過優(yōu)化抗反射涂層和襯底去除工藝后，外部QE有望達(dá)到76%。對(duì)于低至3 μm的像素間距，該研究成功演示了InGaAs光電二極管的運(yùn)行，雖然暗電流密度增加至30 nA/cm2。這種有前景的結(jié)構(gòu)目前還在研究中，有望將其作為成像儀與Si-CMOS工具兼容的工藝以及Si-ROIC相集成。

審核編輯：劉清