晶格失配對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的影響

與HgCdTe器件相比，InAs基材料在室溫下其載流子遷移率和俄歇復(fù)合系數(shù)均有明顯優(yōu)勢(shì)，并且InAs基器件在勢(shì)壘層材料上有更多的選擇，如AlGaSb、AlAsSb、InAsP、InAlAsSb、InAsSbP等，2014年紅外領(lǐng)域著名專家波蘭院士安東尼教授對(duì)中波紅外不同探測(cè)材料體系做了對(duì)比，InAs基探測(cè)器在3～5 μｍ中波室溫探測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，上海理工大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“晶格失配對(duì)InAs基室溫中波紅外探測(cè)器性能的影響”為主題的文章。該文章第一作者為段永飛，主要從事新型紅外探測(cè)材料與器件方面的研究工作；通訊作者為上海理工大學(xué)陳澤中副教授，主要從事金屬塑性成形CAE與模具CAD/CAM研究等方面的研究工作。

本文研究采用液相外延技術(shù)（LPE）生長(zhǎng)了InAs基室溫紅外探測(cè)器件材料，通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀分析了外延材料表面形貌、截面形貌與晶格失配的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

InAs基紅外探測(cè)器制備

InAs基器件材料的制備采用液相外延法，使用常規(guī)水平滑動(dòng)石墨舟技術(shù)進(jìn)行生長(zhǎng)（圖1為生長(zhǎng)工藝曲線）。外延生長(zhǎng)工藝模式采用步冷法，當(dāng)溫度降到生長(zhǎng)溫度550 ℃時(shí)，抽動(dòng)放置襯底的石墨滑板使InAs襯底依次與熔源材料接觸，進(jìn)行外延層的生長(zhǎng)，最終得到InAs基多層薄膜結(jié)構(gòu)器件材料。

圖1 InAs基器件液相外延生長(zhǎng)工藝曲線

采用常規(guī)光刻和濕法刻蝕工藝）制作直徑200 μｍ臺(tái)面器件（如圖2所示）。在刻蝕出臺(tái)面結(jié)構(gòu)前，通過(guò)勻膠、光刻、顯影工藝使用AZ5214光刻膠作為掩膜層將器件臺(tái)面保護(hù)住。采用濕法刻蝕工藝將臺(tái)面結(jié)構(gòu)以外的外延材料刻蝕掉，刻蝕停止在p型InAsSbP阻擋層。最后，在p型摻雜的InAsSbP阻擋層上和n型摻雜InAsSbP窗口層上利用電子束蒸發(fā)做出歐姆接觸Ti/Au電極。

圖2 pBin型InAs器件結(jié)構(gòu)示意圖

器件性能表征

采用Ｘ射線衍射儀（XRD）對(duì)樣品的結(jié)構(gòu)特性和晶體質(zhì)量進(jìn)行表征和分析，測(cè)試電壓為40 kV，電流為40 mA。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)樣品的截面進(jìn)行觀察，測(cè)試電壓為10 kV。采用Ｉ-Ｖ測(cè)試探針臺(tái)測(cè)試樣品的Ｉ-Ｖ曲線獲得器件動(dòng)態(tài)電阻。器件的室溫探測(cè)率由歸一化光電流能譜與黑體響應(yīng)下探測(cè)器光電流相結(jié)合得到。采用傅里葉紅外光譜儀-獲得器件光電流能譜。采用黑體響應(yīng)測(cè)試獲得探測(cè)器光電流，黑體溫度為900 K，調(diào)制頻率1000 Hz，黑體出光孔徑0.8 cm，黑體與探測(cè)器的距離為30 cm，探測(cè)器輸出的光電流信號(hào)經(jīng)前置放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后，輸入鎖相放大器解調(diào)后得到。在光電流能譜及黑體響應(yīng)測(cè)試中，探測(cè)器均為零偏壓狀態(tài)。

結(jié)果與討論

InAsSbP外延薄膜

通過(guò)調(diào)整液相外延生長(zhǎng)參數(shù)如液相組分、生長(zhǎng)溫度，獲得了一系列晶格失配不同的InAsSbP外延薄膜。圖3所示為200×放大倍率下的光學(xué)顯微鏡觀察的InAsSbP外延薄膜S1～S6樣品表面形貌圖。采用XRD對(duì)InAsSbP外延薄膜的晶格常數(shù)和晶體質(zhì)量進(jìn)行表征。搖擺曲線的半高寬（FWHM）越窄，單晶的晶格質(zhì)量越好。圖４為S1～S6樣品的XRD（400）衍射峰和S1～S6樣品InAsSbP外延薄膜的（400）搖擺曲線，外延薄膜與襯底之間的晶格失配通過(guò)XRD測(cè)得的衍射峰角度代入布拉格方程進(jìn)行計(jì)算。

圖3 S1～S6樣品光學(xué)顯微鏡表面形貌圖

圖4 S1～S6樣品XRD圖及InAsSbP外延膜（400）搖擺曲線圖

圖3和圖4表明，InAsSbP外延層的表面形貌和外延層與襯底之間的晶格失配存在聯(lián)系。S4樣品在室溫下與InAs襯底的晶格失配為0.22%，外延層表面光亮均勻，搖擺曲線顯示其半高寬最窄，與InAs襯底的搖擺曲線半高寬相當(dāng)，結(jié)晶質(zhì)量較高。S1和S2樣品顯示，樣品晶格失配在0.1%左右及以下的微正失配時(shí)，外延層表面密布點(diǎn)狀缺陷。當(dāng)晶格失配由0.1%左右繼續(xù)減小至0.1%以下的微小正失配時(shí)，點(diǎn)狀缺陷密度迅速增加，表面形貌變差，InAsSbP外延層的搖擺曲線半高寬也明顯寬化。

張永剛等人早期在InAs襯底上使用液相外延技術(shù)生長(zhǎng)InAsSbP外延層中也有類似情況出現(xiàn)，這可能是因?yàn)镮nAs、InSb和InP的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)晶格失配在0.3%左右繼續(xù)往正失配方向增加時(shí)，“cross-hatch”形貌開(kāi)始顯現(xiàn)，這是液相外延生長(zhǎng)過(guò)程中一種典型形貌，與位錯(cuò)輔助的應(yīng)變弛豫和表面臺(tái)階流動(dòng)導(dǎo)致的外延薄膜表面的高低起伏有關(guān)。晶格失配增加，“cross-hatch”形貌明顯加重，溝壑狀紋路出現(xiàn)，說(shuō)明材料失配位錯(cuò)非常嚴(yán)重，S5和S6樣品搖擺曲線的半高寬相比S4樣品也有明顯寬化，晶格質(zhì)量變差。

InAs紅外探測(cè)器件

選取InAsSbP外延層的三種典型表面形貌，生長(zhǎng)對(duì)應(yīng)晶格失配0.09%、0.21%、0.40%的InAsSbP外延層組分pBin結(jié)構(gòu)器件，得到樣品D1、D2、D3。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)各樣品的截面進(jìn)行觀察。觀察前，將樣品沿（100）晶向解理，在A-B腐蝕液中腐蝕3 s。由于樣品各層界面處缺陷相比各層材料內(nèi)部更多，腐蝕速度更快，更容易被刻蝕，因此腐蝕后界面處缺陷更加明顯，便于觀察到更清晰的界面。各樣品的SEM截面形貌如圖5所示。樣品D1和D3在相同的腐蝕時(shí)間下界面處腐蝕很嚴(yán)重，且器件樣品的耗盡區(qū)即p型InAsSbP阻擋層與本征吸收層之間界面處在腐蝕后相較其他區(qū)域發(fā)亮并且寬化，缺陷尤為嚴(yán)重。樣品D2的SEM截面形貌各外延層間界面平整且清晰，由此可以看出，樣品D2各層間缺陷較少，材料質(zhì)量較高。由此可以判斷，晶格失配過(guò)大和過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部缺陷增多，尤其是不同外延層間界面處缺陷密度增加明顯。晶格失配在0.21%左右的InAsSbP/InAs系統(tǒng)材料內(nèi)部缺陷較少，晶體質(zhì)量較好，這與高分辨Ｘ射線衍射譜得到的結(jié)果一致。

圖5 D1、D2、D3器件SEM截面圖

將樣品D1、D2、D3制備成直徑為200 μｍ的臺(tái)面型紅外探測(cè)器器件。圖6所示為樣品D1、D2、D3制備出的臺(tái)面型紅外探測(cè)器的側(cè)壁SEM圖。同通過(guò)觀察SEM截面分析外延層晶體質(zhì)量原理類似，器件制備過(guò)程中的濕法刻蝕工藝也會(huì)使材料內(nèi)部的缺陷擴(kuò)大。D1和D3樣品出現(xiàn)明顯側(cè)蝕情況，且D1樣品更為嚴(yán)重。對(duì)比之下，D2樣品表面平整干凈，臺(tái)面形狀規(guī)則。D2樣品材料內(nèi)部缺陷較少，晶體質(zhì)量較好，和高分辨Ｘ射線衍射譜得到的結(jié)果一致。

圖6 D1、D2、D3器件側(cè)壁SEM圖

圖7為D1、D2、D3樣品制備出的臺(tái)面型紅外探測(cè)器的Ｉ-Ｖ特性曲線。D2樣品p-n結(jié)特性明顯，反向偏壓100 mV時(shí)漏電流在三個(gè)樣品中最低，在反向偏壓700 mV時(shí)仍未出現(xiàn)明顯漏電。D1樣品在反向偏壓100 mV左右時(shí)，p-n結(jié)開(kāi)始出現(xiàn)明顯漏電，繼續(xù)增大反向偏壓，漏電流急劇增大。D3樣品在處于與D1樣品相同反向偏壓時(shí)漏電流比D1樣品稍小些，但也在反向偏壓200 mV時(shí)出現(xiàn)明顯漏電。對(duì)于pBin結(jié)型探測(cè)器，其耗盡區(qū)位于勢(shì)壘阻擋層與本征吸收層界面處，零偏電壓下，p-n結(jié)處于熱平衡狀態(tài)，耗盡區(qū)中非平衡載流子的產(chǎn)生速率等同于復(fù)合速率，附加偏壓后，耗盡區(qū)內(nèi)部缺陷密度如果較大，雜質(zhì)和缺陷將形成大量的載流子產(chǎn)生復(fù)合中心，導(dǎo)致器件的產(chǎn)生復(fù)合電流大幅增加。對(duì)比三個(gè)晶格失配不同的樣品，晶格失配在0.21%的器件樣品D2暗電流水平最低。

圖7 D1、D2、D3器件Ｉ-Ｖ曲線

對(duì)D2樣品臺(tái)面型紅外探測(cè)器室溫探測(cè)性能進(jìn)行了測(cè)試。D2樣品臺(tái)面型紅外探測(cè)器的室溫光學(xué)響應(yīng)率和探測(cè)率如圖8所示。900 K黑體輻照下，器件室溫下截止波長(zhǎng)為3.5 μｍ，探測(cè)率D*為6.8×10? cm·Hz1/2·W?1，這一性能和國(guó)際上紅外探測(cè)器領(lǐng)軍企業(yè)美國(guó)Teleyne Judson Techologies（截止波長(zhǎng)3.60 μｍ，室溫探測(cè)率2.5～3.7×10? cm·Hz1/2·W?1）和日本濱松株式會(huì)社（截止波長(zhǎng)3.65 μｍ，室溫探測(cè)率4.5×10? cm·Hz1/2·W?1）在售的商用InAs基紅外探測(cè)器處于同一水平。

圖8 D2器件室溫光學(xué)響應(yīng)率圖及探測(cè)率圖

結(jié)論

本文采用液相外延技術(shù)制備了以InAsSbP材料為器件阻擋層和窗口層材料的InAs基紅外探測(cè)器，研究了InAsSbP/InAs系統(tǒng)的晶格失配對(duì)InAs基紅外探測(cè)器性能的影響。通過(guò)對(duì)一系列晶格失配不同的InAsSbP外延薄膜分析發(fā)現(xiàn)，不恰當(dāng)?shù)木Ц袷鋾?huì)造成InAsSbP外延層缺陷增多，結(jié)晶質(zhì)量下降。確定出了晶格失配在0.22%左右的InAsSbP外延層晶體質(zhì)量較好，采用0.22%左右晶格失配的方案制備出的器件暗電流水平較低。通過(guò)對(duì)InAsSbP/InAs系統(tǒng)晶格失配的研究，制備出了InAs基紅外探測(cè)器件，并測(cè)試得出室溫下截止波長(zhǎng)為3.5 μｍ，探測(cè)率D*為6.8×10? cm·Hz1/2·W?1，室溫探測(cè)率已達(dá)到較高水平。

審核編輯：劉清