中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
非本征硅阻擋雜質(zhì)帶（BIB）紅外探測器因其超寬光譜、極低暗電流、高量子效率、超大規模陣列等優(yōu)勢成為甚長(cháng)波紅外（> 14 μm）天文觀(guān)測、深空探測的核心元器件。BIB探測器結構由高濃度摻雜的吸收層和本征阻擋層組成，近平衡態(tài)外延高溫誘導摻雜元素擴散，將致使吸收層和阻擋層之間過(guò)渡層展寬，非連續雜質(zhì)局域態(tài)缺陷將引入產(chǎn)生-復合暗電流。因此，如何實(shí)現理想過(guò)渡界面和揭示界面影響成為亟待解決的問(wèn)題之一。
中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王鵬青年研究員和胡偉達研究員的研究團隊基于分子束外延（MBE）生長(cháng)動(dòng)力學(xué)提出一種溫度調控摻雜界面構筑方法，利用Si和Ga原子熱敏感性差異，并通過(guò)抑制腔體記憶效應和表面遲滯效應，實(shí)現Si:Ga摻雜濃度101?-101? cm?3可調可控，且摻雜界面小于百納米尺度。
相關(guān)研究成果以“Sharp Interface Blocked Impurity Band Very Long-Wavelength Infrared Photodetector With High-Temperature Epitaxy”為題，發(fā)表在IEEE Electron Device Letters期刊上。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所博士郭家祥、張濤為本文共同第一作者。該工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )等項目支持。
在MBE生長(cháng)阻擋雜質(zhì)帶結構中需確定三個(gè)關(guān)鍵因素：低溫（LT）沉積、高溫（HT）解吸以及吸收層和阻擋層之間的擴散。圖1(a)中的 (I) and (II) 表明，在較低的襯底溫度下，更多的蒸發(fā)原子被吸附，而具有較低粘附系數的原子在較高的襯底溫度下首先解吸。在高摻雜濃度吸收層之后，本征阻擋層開(kāi)始生長(cháng)。如圖1(a) (III) 所示，需要考慮吸收層和阻擋層之間的擴散。襯底溫度和延長(cháng)生長(cháng)時(shí)間會(huì )導致更寬的濃度梯度界面。
圖1 （a）MBE動(dòng)態(tài)生長(cháng)過(guò)程示意圖；（b）Ga蒸發(fā)到襯底表面的速率和利用率；（c）不同襯底溫度下的Ga原子粘滯系數；（d）不同Ga晶胞溫度下的Ga濃度曲線(xiàn)。
圖2(a) 展示了Ga晶胞快門(mén)關(guān)閉后不同襯底溫度下的濃度變化?？刂艷a的低粘附系數對于阻擋層外延生長(cháng)過(guò)程中的界面調制至關(guān)重要。圖2(b)顯示了通過(guò)粘附系數調節實(shí)現的帶有界面層的BIB結構。
圖2 （a）不同襯底溫度下的濃度變化；（b）實(shí)現了尖銳的界面BIB結構；（c）退火前后的Ga濃度分布曲線(xiàn)；（d）TCAD對平衡狀態(tài)下不同界面層寬度電場(chǎng)分布的定性模擬結果。
圖3（a）顯示了利用高分辨率X射線(xiàn)衍射（HR-XRD）分析對厚度為13 μm的外延生長(cháng)BIB結構進(jìn)行表征和測試的結果。圖3（b）顯示了BIB結構界面層區域沿[011]區軸線(xiàn)的高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像和選區電子衍射圖（SADP）。分析結果證實(shí)了晶片的高質(zhì)量單晶特性。圖3（c）展示了濃度、遷移率和溫度之間的關(guān)系，范圍從10 K到300 K。
圖3 （a）(400) 平面的HR-XRD搖振曲線(xiàn)；（b）吸收層薄膜IL中的HR-TEM圖像；（c）濃度和遷移率隨溫度變化的曲線(xiàn)；（d）吸收系數隨溫度變化的曲線(xiàn)。
利用晶圓制備BIB光電探測器。光電探測器的原理圖如圖4（a）所示。如圖4（b）所示，使用4200A-SCS測量了不同溫度下的暗電流。圖4（d）展示了使用傅立葉變換紅外光譜儀獲得的光電探測器在不同溫度下工作時(shí)的光譜響應。
圖4 （a）BIB光電探測器示意圖；（b）不同溫度下的I-V曲線(xiàn)；（c）不同溫度下的檢測率；（d）BIB的光譜響應。
這項研究澄清了Ga原子負溫度黏附系數并計算得到表觀(guān)活化能為2.25 eV，研究了耗盡區穩態(tài)電場(chǎng)分布與界面寬度關(guān)系，揭示尖端界面電場(chǎng)的存在，陡峭界面將有效提高吸收層耗盡區寬度和電場(chǎng)強度，極大抑制產(chǎn)生-復合暗電流?；谠摲椒ㄖ苽涞恼缑鍮IB紅外探測器，實(shí)現探測波長(cháng)達20 μm，暗電流低至pA量級水平。這項研究為推動(dòng)我國甚長(cháng)波紅外材料與器件自主可控和空間暗弱目標探測能力發(fā)展奠定重要基礎。
