介紹一種具有GFPT微結(jié)構(gòu)的T2SL探測器

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，一支由中國科學院重慶綠色智能技術研究院、中國科學院半導體研究所、南京大學等機構(gòu)組成的研究團隊在Optics Express期刊上發(fā)表了題為“Gradual funnel photon trapping enhanced InAs/GaSb type-II superlattice infrared detector”的最新論文，文中提出了一種具有漸變漏斗光子捕獲（GFPT）微結(jié)構(gòu)的中紅外InAs/GaSb II類超晶格（T2SL）探測器，利用GFPT結(jié)構(gòu)增強光吸收和降低暗電流噪聲顯著提高了探測器性能，其黑體探測率在78K時達到了1.51×1011cm·Hz1/2。

圖1 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測器示意圖

紅外探測器已被廣泛應用于物體識別、癌癥檢測等領域。目前，中紅外光敏材料主要包括碲鎘汞（HgCdTe）合金和III-V T2SL。HgCdTe合金在器件性能方面具有一些優(yōu)勢，但其低成品率和高成本限制了其可用性。InAs/GaSb T2SL材料具有較小的隧穿電流和受抑制的Auger復合機制，是HgCdTe的可能替代品，但其光吸收系數(shù)低于HgCdTe合金。

近年來，人們研究了利用介電、表面金屬和三維等離子腔結(jié)構(gòu)等微結(jié)構(gòu)來增強材料的光吸收。然而，表面金屬微結(jié)構(gòu)增加了材料的光學損耗，三維等離子體腔微結(jié)構(gòu)需要對材料外延結(jié)構(gòu)進行修改。

相比之下，介電結(jié)構(gòu)是增強材料有效光吸收和光電轉(zhuǎn)換的可靠解決方案。J. Budhu等人將T2SL探測器耦合到Si介電天線中，以增強材料的光吸收。C. Y. ilGuo等人使用中紅外T2SL材料設計了一種介電諧振結(jié)構(gòu)，在可見光譜中實現(xiàn)響應增強。

隨后，C. Guo等人提出了一種具有M勢壘的介電光子捕獲T2SL探測器，該探測器在近紅外波段的響應度為0.86A/W。然而，光子俘獲結(jié)構(gòu)在探測器中形成了晶體缺陷和懸垂鍵，這增加了器件的泄漏暗電流。此外，在諸如PIN和PMIN等T2SL材料中，只有耗盡區(qū)附近的光子才轉(zhuǎn)換為光電流。

在探測器上制造合適的光子捕獲結(jié)構(gòu)是一個挑戰(zhàn)。因此，中紅外T2SL探測器中需要一種新的光子捕獲結(jié)構(gòu)，使其具有更好的光捕獲性能和更方便的鈍化以降低暗電流。 基于此，本論文的作者們提出了一種具有GFPT結(jié)構(gòu)的中紅外T2SL探測器。

GFPT探測器具有二維周期性漸變漏斗孔，用于有效捕光。在GFPT探測器中使用原子層沉積表面鈍化，在78K時的探測率達到1.51×1011cm·Hz1/2。由于使用了GFPT結(jié)構(gòu)，探測器性能顯著提高，實現(xiàn)了30%的寬帶光吸收增強，并使暗電流噪聲降低了3倍。

器件制備

他們使用標準光刻法和濕法蝕刻制造了GFPT結(jié)構(gòu)的中紅外T2SL探測器，器件的制造工藝流程如圖1所示。使用磁控濺射沉積Ti/Au（30?/500?）形成頂部和底部金屬接觸電極。隨后，用檸檬酸將GFPT結(jié)構(gòu)蝕刻（0.8μm深）至T2SL吸收區(qū)。

蝕刻掩模是一個通過激光直寫在T2SL材料表面形成的20nm厚的S1805光刻膠孔。接下來，三甲基鋁預處理和ALD沉積的70nm Al2O3介電層分別作為化學鈍化和物理保護。最后，使用N2等離子體蝕刻打開通過Al2O3鈍化層的窗口，以便接觸金屬電極。

圖2 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測器的制造工藝流程示意圖

器件測試結(jié)果

圖3（a）為GFPT探測器和參考探測器的傅里葉吸收光譜。當波長為2～5μm時，GFPT探測器增加了20%～40%的光吸收。利用600K黑體源，對GFPT探測器和參考探測器的響應度進行了表征。兩種探測器的響應度與施加偏壓的函數(shù)關系如圖3（b）所示，其中GFPT探測器具有更高的響應度，并且在低偏壓下表現(xiàn)出飽和。圖3（c）顯示了兩種探測器在-0.1V下對黑體源周期性斬波的光響應。GFPT探測器和參考探測器的響應度分別為1.36A/W和1.01A/W。

圖3 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測器的性能表征

探測器的噪聲可以用暗電流特性來描述。圖4（a）為GFPT探測器的溫度相關暗電流密度。從78K到300K，由于熱載流子生成復合和擴散行為隨溫度升高而增強，器件的暗電流密度在-0.1V時增加了四個數(shù)量級。在-0.1V電壓下，GFPT探測器和參考探測器的暗電流密度分別為2.63×10??A/cm2和9.63×10??A/cm2，如圖4（b）所示。

與參考探測器相比，GFPT器件的暗電流減少了大約三倍。它證實了ALD沉積對GFPT結(jié)構(gòu)鈍化的有效性。GFPT陣列帶來的體積減小可以降低探測器的背景電流，如圖4（c）所示。在100K時，與參考器件相比，暗電流減少了20%。隨著溫度的升高，暗電流在140K時可迅速減少81%。

圖4 GFPT結(jié)構(gòu)T2SL探測器的暗電流特性

結(jié)論

綜上所述，本文提出了一種具有GFPT微結(jié)構(gòu)的T2SL探測器，它可以通過增強30%的廣譜吸收和3倍的暗電流抑制來顯著提高探測器的性能。該GFPT探測器的黑體探測率在78K時達到了1.51×1011cm·Hz1/2。本研究提供了一種微結(jié)構(gòu)來改善光吸收并降低暗電流噪聲，從而進一步提高光電探測器的探測率。

審核編輯：劉清