InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的表面處理研究

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

臺(tái)面結(jié)紅外探測(cè)器一般通過(guò)濕法腐蝕或干法刻蝕來(lái)實(shí)現(xiàn)像元間的隔離。在臺(tái)面形成過(guò)程中，半導(dǎo)體晶體周期性結(jié)構(gòu)的突然終止，會(huì)導(dǎo)致表面懸掛鍵的生成，并導(dǎo)致表面缺陷與表面能帶彎曲，因此對(duì)于長(zhǎng)波探測(cè)器，更容易表現(xiàn)出嚴(yán)重的側(cè)壁漏電。近年來(lái)，為了抑制InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)波探測(cè)器的側(cè)壁漏電，獲得高性能的長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，國(guó)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(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所周易研究員的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)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(zhǎng)波探測(cè)器的表面處理工藝，通過(guò)對(duì)不同處理工藝形成臺(tái)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(zhǎng)波器件的電學(xué)性能。然后，通過(guò)不同面積陣列結(jié)構(gòu)提取并分析了側(cè)壁漏電分量，對(duì)于50%截止波長(zhǎng)12.3μm的長(zhǎng)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(jìn)行表面漏電機(jī)制的驗(yàn)證，驗(yàn)證了長(zhǎng)波器件存在純并聯(lián)電阻及表面隧穿兩種主要漏電機(jī)制。最后，對(duì)表面處理前后的暗電流進(jìn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程

Ⅱ類超晶格長(zhǎng)波紅外探測(cè)材料采用分子束外延（MBE）技術(shù)生長(zhǎng)獲得。器件采用PBIBN結(jié)構(gòu)以降低吸收區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)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(gè)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(hào)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(tái)面。所有光敏元臺(tái)面采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)和電感耦合等離子體干法刻蝕實(shí)現(xiàn)，在臺(tái)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(hào)、3號(hào)樣品采用了N2O等離子體進(jìn)行3min表面處理，3號(hào)樣品再進(jìn)行氮?dú)夥諊?50℃、1min的快速熱退火處理。所有樣品通過(guò)等離子體電感耦合化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)300nm厚Si3N4介質(zhì)層作為探測(cè)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(shí)1號(hào)、3號(hào)樣品還制備了臺(tái)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(biāo)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(zhǎng)工藝，并引出測(cè)試電極。柵控器件的主要特點(diǎn)是可通過(guò)柵極電壓控制側(cè)壁表面勢(shì)，進(jìn)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(cè)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(guò)杜瓦封裝后，利用傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)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(méi)有變化，50%截止波長(zhǎng)為12.3μm。再利用Keythley4200測(cè)試系統(tǒng)在液氮溫度下測(cè)試其電流-電壓特性。

圖2（a），（b），（c）分別是1、2、3號(hào)樣品中臺(tái)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(duì)于200μm直徑器件，在-50mV小偏壓下，3號(hào)樣品的暗電流密度約為4.6×10-2A/cm2，明顯優(yōu)于1號(hào)樣品的5.88×10-1A/cm2和2號(hào)樣品的1.46×10-1A/cm2。說(shuō)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(tái)面面積器件的暗電流密度-電壓特性曲線：（a）1號(hào)無(wú)處理未退火；（b）2號(hào)N2O處理未退火；（c）3號(hào)N2O處理并退火；（d）1、2、3號(hào)樣品直徑200μm的光敏元。

通過(guò)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(shí)的r0surface的大小。1號(hào)樣品中的電學(xué)性能隨光敏元尺寸變化最大，表面并聯(lián)電阻率僅17.7Ωcm，對(duì)應(yīng)著嚴(yán)重的側(cè)壁漏電流存在，超過(guò)了長(zhǎng)波探測(cè)器體暗電流大小；而經(jīng)過(guò)優(yōu)化工藝處理后的3號(hào)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(jìn)行表面處理的1號(hào)器件提升了約16.1倍。且對(duì)于3號(hào)樣品，不同面積器件在小反偏下均表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)模≧0A）-1，說(shuō)明了優(yōu)化工藝對(duì)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(duì)1號(hào)、3號(hào)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(shì)相關(guān)的側(cè)壁漏電流，通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓，可以調(diào)節(jié)表面勢(shì)，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(hào)器件在不同柵壓下暗電流未發(fā)生明顯變化，說(shuō)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(dǎo)的特性。而3號(hào)器件在測(cè)試柵壓從-10V變化至40V的過(guò)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(shuō)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(hào)無(wú)處理未退火；（b）3號(hào)N2O處理并退火。

柵控器件驗(yàn)證了，長(zhǎng)波器件會(huì)存在與表面勢(shì)無(wú)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(dǎo)致的。

1號(hào)、3號(hào)樣品的電流機(jī)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(shí)推導(dǎo)得到的表面電阻率r0surface的數(shù)值相當(dāng)，進(jìn)一步說(shuō)明零偏下，器件的表面漏電由表面并聯(lián)電阻機(jī)制主導(dǎo)。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(guò)擬合BTB隧穿電流則可得到3號(hào)樣品仍存在較高的表面有效載流子濃度Neff=9.60×1016cm-3，進(jìn)而計(jì)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(jī)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(chǎng)強(qiáng)度高，帶間隧穿電流主導(dǎo)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(hào)未處理未退火；（b）3號(hào)N2O處理退火（主圖縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，左下角圖縱坐標(biāo)為線性坐標(biāo)）。

結(jié)論

這篇文章研究了InAs/GaSb Ⅱ類超晶格光電探測(cè)器側(cè)壁的表面性質(zhì)，通過(guò)不同面積光敏元的電流-電壓測(cè)試，擬合提取出側(cè)壁的暗電流密度。并通過(guò)柵控結(jié)構(gòu)器件的變柵壓實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了長(zhǎng)波器件存在純并聯(lián)電阻及表面隧穿兩種主要漏電機(jī)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(jìn)一步降低器件的側(cè)壁漏電流。對(duì)兩個(gè)器件的側(cè)壁漏電流進(jìn)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(xué)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(xiàng)研究獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0402403）、國(guó)家自然科學(xué)基金（61974152，61904183，61534006，1505237，61505235）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員（2016219）和上海市青年科技啟明星項(xiàng)目（20QA141500）的支持。

審核編輯：湯梓紅