中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)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材料之一。隨著(zhù)探測器像元中心距不斷減小，對于臺面結器件，其側壁漏電將占據主導地位，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。
臺面結紅外探測器一般通過(guò)濕法腐蝕或干法刻蝕來(lái)實(shí)現像元間的隔離。在臺面形成過(guò)程中，半導體晶體周期性結構的突然終止，會(huì )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(cháng)波探測器，更容易表現出嚴重的側壁漏電。近年來(lái)，為了抑制InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格長(cháng)波探測器的側壁漏電，獲得高性能的長(cháng)波紅外探測器，國內外研究人員不斷嘗試各種表面處理和鈍化方式。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，中國科學(xué)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(xué)報》期刊上發(fā)表了以“InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格長(cháng)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(lèi)超晶格長(cháng)波探測器的表面處理工藝，通過(guò)對不同處理工藝形成臺面器件的暗電流分析，發(fā)現N2O等離子處理結合快速熱退火（RTA）的優(yōu)化工藝能夠顯著(zhù)改善長(cháng)波器件的電學(xué)性能。然后，通過(guò)不同面積陣列結構提取并分析了側壁漏電分量，對于50%截止波長(cháng)12.3μm的長(cháng)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，有效降低側壁漏電流。接著(zhù)，利用側壁柵控結構進(jìn)行表面漏電機制的驗證，驗證了長(cháng)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(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)驗過(guò)程
Ⅱ類(lèi)超晶格長(cháng)波紅外探測材料采用分子束外延（MBE）技術(shù)生長(cháng)獲得。器件采用PBIBN結構以降低吸收區的電場(chǎng)強度，從而抑制體暗電流中產(chǎn)生的復合電流和隧穿電流。
材料外延完成后，制備了如表1的5個(gè)樣品。為了研究和區分器件體暗電流與側壁漏電，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(shí)現，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(jìn)行3min表面處理，3號樣品再進(jìn)行氮氣氛圍下250℃、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(cháng)300nm厚Si3N4介質(zhì)層作為探測器鈍化層后，利用電子束蒸發(fā)設備沉積Ti/Pt/Au作為接觸電極，如圖1（a）所示。同時(shí)1號、3號樣品還制備了臺面直徑400μm的柵控器件（GD），其主要區別是在側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區域），柵極金屬的制備采用了優(yōu)化側壁覆蓋的生長(cháng)工藝，并引出測試電極。柵控器件的主要特點(diǎn)是可通過(guò)柵極電壓控制側壁表面勢，進(jìn)而研究側壁與表面電荷相關(guān)的漏電信息。
圖1 InAs/GaSb超晶格探測器結構示意圖：（a）為常規結構器件；（b）為柵控結構器件。
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試其液氮溫度下的響應光譜特性，不同處理工藝下樣品的響應光譜沒(méi)有變化，50%截止波長(cháng)為12.3μm。再利用Keythley 4200測試系統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(xiàn)。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(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、不同臺面面積器件的暗電流密度-電壓特性曲線(xiàn)：（a）1號無(wú)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(guò)R0A與P/A的線(xiàn)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壁漏電流，圖中的線(xiàn)性擬合斜率的倒數即為零偏時(shí)的r0surface的大小。1號樣品中的電學(xué)性能隨光敏元尺寸變化最大，表面并聯(lián)電阻率僅17.7Ωcm，對應著(zhù)嚴重的側壁漏電流存在，超過(guò)了長(cháng)波探測器體暗電流大??；而經(jīng)過(guò)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(jìn)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出相當的（R0A）-1，說(shuō)明了優(yōu)化工藝對側壁漏電有很顯著(zhù)的抑制效果，且具有很好的穩定性。
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構器件1-GD、3-GD，柵控器件能夠有效地拆分與表面勢相關(guān)的側壁漏電流，通過(guò)調節柵壓，可以調節表面勢，改變表面電荷數量。1-GD、3-GD器件在不同柵壓下的IV曲線(xiàn)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(shuō)明該器件表面漏電不受柵壓的影響，表現出純并聯(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(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號無(wú)處理未退火；（b）3號N2O處理并退火。
柵控器件驗證了，長(cháng)波器件會(huì )存在與表面勢無(wú)關(guān)的純并聯(lián)電阻，而優(yōu)化工藝能夠增加側壁并聯(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果，如圖5所示。暗電流的擬合結果表明，表面并聯(lián)電阻率rsurface與零偏時(shí)推導得到的表面電阻率r0surface的數值相當，進(jìn)一步說(shuō)明零偏下，器件的表面漏電由表面并聯(lián)電阻機制主導。結合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，結合柵控結果表明，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，結區電場(chǎng)強度高，帶間隧穿電流主導其表面漏電。
圖5 0柵壓下側壁漏電流的數值擬合：（a）1號未處理未退火；（b）3號N2O處理退火（主圖縱坐標為對數坐標，左下角圖縱坐標為線(xiàn)性坐標）。
結論
這篇文章研究了InAs/GaSb Ⅱ類(lèi)超晶格光電探測器側壁的表面性質(zhì)，通過(guò)不同面積光敏元的電流-電壓測試，擬合提取出側壁的暗電流密度。并通過(guò)柵控結構器件的變柵壓實(shí)驗，驗證了長(cháng)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)一步降低器件的側壁漏電流。對兩個(gè)器件的側壁漏電流進(jìn)行擬合，結合工藝使表面并聯(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。
這項研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016YFB0402403）、國家自然科學(xué)基金（61974152，61904183，61534006，1505237，61505235）、中國科學(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目（20QA141500）的支持。
