晶格失配對InAs基室溫中波紅外探測器性能的影響

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，并且InAs基器件在勢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中波紅外不同探測材料體系做了對比，InAs基探測器在3～5 μｍ中波室溫探測中具有明顯優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，上海理工大學(xué)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的科研團隊在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“晶格失配對InAs基室溫中波紅外探測器性能的影響”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）生長了InAs基室溫紅外探測器件材料，通過光學(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。

實驗過程

InAs基紅外探測器制備

InAs基器件材料的制備采用液相外延法，使用常規(guī)水平滑動石墨舟技術(shù)進行生長（圖1為生長工藝曲線）。外延生長工藝模式采用步冷法，當(dāng)溫度降到生長溫度550 ℃時，抽動放置襯底的石墨滑板使InAs襯底依次與熔源材料接觸，進行外延層的生長，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臺面器件（如圖2所示）。在刻蝕出臺面結(jié)構(gòu)前，通過勻膠、光刻、顯影工藝使用AZ5214光刻膠作為掩膜層將器件臺面保護住。采用濕法刻蝕工藝將臺面結(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）對樣品的結(jié)構(gòu)特性和晶體質(zhì)量進行表征和分析，測試電壓為40 kV，電流為40 mA。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對樣品的截面進行觀察，測試電壓為10 kV。采用Ｉ-Ｖ測試探針臺測試樣品的Ｉ-Ｖ曲線獲得器件動態(tài)電阻。器件的室溫探測率由歸一化光電流能譜與黑體響應(yīng)下探測器光電流相結(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)測試獲得探測器光電流，黑體溫度為900 K，調(diào)制頻率1000 Hz，黑體出光孔徑0.8 cm，黑體與探測器的距離為30 cm，探測器輸出的光電流信號經(jīng)前置放大器放大并轉(zhuǎn)化為電壓信號后，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)測試中，探測器均為零偏壓狀態(tài)。

結(jié)果與討論

InAsSbP外延薄膜

通過調(diào)整液相外延生長參數(shù)如液相組分、生長溫度，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InAsSbP外延薄膜的晶格常數(shù)和晶體質(zhì)量進行表征。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XRD測得的衍射峰角度代入布拉格方程進行計算。

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，外延層表面密布點狀缺陷。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，點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InAsSbP外延層中也有類似情況出現(xiàn)，這可能是因為InAs、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，“cross-hatch”形貌開始顯現(xiàn)，這是液相外延生長過程中一種典型形貌，與位錯輔助的應(yīng)變弛豫和表面臺階流動導(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)，說明材料失配位錯非常嚴重，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紅外探測器件

選取InAsSbP外延層的三種典型表面形貌，生長對應(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各樣品的截面進行觀察。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在相同的腐蝕時間下界面處腐蝕很嚴重，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，晶格失配過大和過小都會導(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的臺面型紅外探測器器件。圖6所示為樣品D1、D2、D3制備出的臺面型紅外探測器的側(cè)壁SEM圖。同通過觀察SEM截面分析外延層晶體質(zhì)量原理類似，器件制備過程中的濕法刻蝕工藝也會使材料內(nèi)部的缺陷擴大。D1和D3樣品出現(xiàn)明顯側(cè)蝕情況，且D1樣品更為嚴重。對比之下，D2樣品表面平整干凈，臺面形狀規(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樣品制備出的臺面型紅外探測器的Ｉ-Ｖ特性曲線。D2樣品p-n結(jié)特性明顯，反向偏壓100 mV時漏電流在三個樣品中最低，在反向偏壓700 mV時仍未出現(xiàn)明顯漏電。D1樣品在反向偏壓100 mV左右時，p-n結(jié)開始出現(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漏電流比D1樣品稍小些，但也在反向偏壓200 mV時出現(xiàn)明顯漏電。對于pBin結(jié)型探測器，其耗盡區(qū)位于勢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。對比三個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D2樣品臺面型紅外探測器室溫探測性能進行了測試。D2樣品臺面型紅外探測器的室溫光學(xué)響應(yīng)率和探測率如圖8所示。900 K黑體輻照下，器件室溫下截止波長為3.5 μｍ，探測率D*為6.8×10? cm·Hz1/2·W?1，這一性能和國際上紅外探測器領(lǐng)軍企業(yè)美國Teleyne Judson Techologies（截止波長3.60 μｍ，室溫探測率2.5～3.7×10? cm·Hz1/2·W?1）和日本濱松株式會社（截止波長3.65 μｍ，室溫探測率4.5×10? cm·Hz1/2·W?1）在售的商用InAs基紅外探測器處于同一水平。

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基紅外探測器，研究了InAsSbP/InAs系統(tǒng)的晶格失配對InAs基紅外探測器性能的影響。通過對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斐蒊nAsSbP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。通過對InAsSbP/InAs系統(tǒng)晶格失配的研究，制備出了InAs基紅外探測器件，并測試得出室溫下截止波長為3.5 μｍ，探測率D*為6.8×10? cm·Hz1/2·W?1，室溫探測率已達到較高水平。

審核編輯：劉清