InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波紅外探測器的表面處理研究

InAs/GaSb Ⅱ類超晶格近年來得到迅速的發展，是最有前景的紅外光電探測材料之一。隨著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濕法腐蝕或干法刻蝕來實現像元間的隔離。在臺面形成過程中，半導體晶體周期性結構的突然終止，會導致表面懸掛鍵的生成，并導致表面缺陷與表面能帶彎曲，因此對于長波探測器，更容易表現出嚴重的側壁漏電。近年來，為了抑制InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長波探測器的側壁漏電，獲得高性能的長波紅外探測器，國內外研究人員不斷嘗試各種表面處理和鈍化方式。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所周易研究員的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“InAs/GaSb Ⅱ類超晶格長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類超晶格長波探測器的表面處理工藝，通過對不同處理工藝形成臺面器件的暗電流分析，發現N2O等離子處理結合快速熱退火（RTA）的優化工藝能夠顯著改善長波器件的電學性能。然后，通過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12.3μm的長波器件，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，利用側壁柵控結構進行表面漏電機制的驗證，驗證了長波器件存在純并聯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。

器件表面處理實驗過程

Ⅱ類超晶格長波紅外探測材料采用分子束外延（MBE）技術生長獲得。器件采用PBIBN結構以降低吸收區的電場強度，從而抑制體暗電流中產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和電感耦合等離子體干法刻蝕實現，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等離子體進行3min表面處理，3號樣品再進行氮氣氛圍下250℃、1min的快速熱退火處理。所有樣品通過等離子體電感耦合化學氣相沉積生長300nm厚Si3N4介質層作為探測器鈍化層后，利用電子束蒸發設備沉積Ti/Pt/Au作為接觸電極，如圖1（a）所示。同時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化側壁覆蓋的生長工藝，并引出測試電極。柵控器件的主要特點是可通過柵極電壓控制側壁表面勢，進而研究側壁與表面電荷相關的漏電信息。

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有變化，50%截止波長為12.3μm。再利用Keythley4200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。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，明顯優于1號樣品的5.88×10-1A/cm2和2號樣品的1.46×10-1A/cm2。說明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：（a）1號無處理未退火；（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R0A與P/A的線性擬合，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，圖中的線性擬合斜率的倒數即為零偏時的r0surface的大小。1號樣品中的電學性能隨光敏元尺寸變化最大，表面并聯電阻率僅17.7Ωcm，對應著嚴重的側壁漏電流存在，超過了長波探測器體暗電流大??；而經過優化工藝處理后的3號樣品，其表面并聯電阻率有了明顯提升，約為284.4Ωcm，相較未進行表面處理的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，說明了優化工藝對側壁漏電有很顯著的抑制效果，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的側壁漏電流，通過調節柵壓，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曲線如圖4所示，1號器件在不同柵壓下暗電流未發生明顯變化，說明該器件表面漏電不受柵壓的影響，表現出純并聯電阻主導的特性。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號無處理未退火；（b）3號N2O處理并退火。

柵控器件驗證了，長波器件會存在與表面勢無關的純并聯電阻，而優化工藝能夠增加側壁并聯電阻率；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，表面并聯電阻率rsurface與零偏時推導得到的表面電阻率r0surface的數值相當，進一步說明零偏下，器件的表面漏電由表面并聯電阻機制主導。結合N2O等離子與快速熱退火的混合處理工藝，將表面并聯電阻率從17.9Ωcm提升至297.6Ωcm，提升了約16.6倍。而通過擬合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性坐標）。

結論

這篇文章研究了InAs/GaSb Ⅱ類超晶格光電探測器側壁的表面性質，通過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。并通過柵控結構器件的變柵壓實驗，驗證了長波器件存在純并聯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一步降低器件的側壁漏電流。對兩個器件的側壁漏電流進行擬合，結合工藝使表面并聯電阻率從17.9Ωcm增加至297.6Ωcm，大大提高了器件的整體電學性能，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研發計劃（2016YFB0402403）、國家自然科學基金（61974152，61904183，61534006，1505237，61505235）、中國科學院青年創新促進會會員（2016219）和上海市青年科技啟明星項目（20QA141500）的支持。

審核編輯：湯梓紅