阳极硫化预处理、栅极预处理的高性能 P⁺–π–M⁺ InAs/GaSb 超晶格用于长波红外探测

摘要

InAs/GaSb 超晶格红外探测器经大量研究开发，但其性能，尤其是长波红外探测器（LWIR），仍受限于电学性能和光学量子效率（QE）。通过适当掺杂使有源区变为 p 型可大幅提升 QE，栅极技术能显著改善电学性能，但饱和偏置电压过高。降低饱和偏置电压对栅极电压控制器件的未来应用具有广阔前景。本文报道，经阳极硫化预处理的栅控 P⁺–π–M–N⁺ InAs/GaSb 超晶格长波红外探测器，在 200 nm SiO₂ 层下，不同 π 区掺杂水平的器件将最小饱和偏置降至 −10 V。该饱和栅极偏置电压远低于相同厚度 200 nm SiO₂ 钝化层及类似结构下报道的 −40 V。光电表征表明，过高的掺杂浓度会削弱器件的电学和光学性能。在 77 K 下，器件 50% 截止波长约 8 μm，100% 截止波长 10 μm，最大量子效率 62.4%，5 μm 处最大响应率 2.26 A/W，最大 RA 值 1259.4 Ω·cm²。此外，无栅极电极的 780 °C Be 掺杂探测器在 5 μm、70 mV 反向偏置下峰值特定探测率达 5.6×10¹⁰ cm·Hz¹ᐟ²/W，为 820 °C 掺杂器件的 3 倍以上；施加 −10 V 栅极偏置、10 mV 反向偏置时，峰值特定探测率可进一步提升至 1.3×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²/W。

引言

自 Sai-Halasz 等人提出 II 型应变层超晶格（T2SLs）概念以来，其成为研究热点。通过精心设计带结构和应变，T2SLs 可制备高性能红外探测器。InAs/GaSb 超晶格作为 T2SLs 的典型代表，在红外探测领域前景广阔。尽管投入巨大研发力量，LWIR 探测器性能仍受电学性能和量子效率限制。LWIR 探测器对应的环境温度（地基）约 300 K，峰值波长 9.6 μm（LWIR 大气透射窗口中心），广泛应用于气体探测、夜视、红外预警、遥感、制导等军民领域。制造高性能长波红外探测器极具意义和挑战。

结构设计和工艺制备显著影响 LWIR 探测器性能。增加有源区厚度虽能直接提高 QE，但会引入更多陷阱中心，降低电学特性。在 LWIR 和超长波红外（VLWIR）中，InAs 层倾向比 GaSb 层厚，材料呈 n 型（少子为空穴）。通过适当掺杂强制有源区变为 p 型，可在不改变器件区域尺寸下大幅提升 QE。但掺杂浓度并非越高越好，过高浓度反而会削弱电学和光学性能。

除调节 π 区掺杂外，栅极技术近年应用于中波（MWIR）和长波红外探测器以改善性能，但需要极高栅极偏置电压。栅极偏置可用公式 σ = εε₀V/d 表示，其中 ε 为介质层相对介电常数，ε₀ 为真空介电常数，V 为饱和栅极偏置电压，d 为介质层厚度，σ 为界面电荷密度。基于该公式，通过高介电常数材料（如 Y₂O₃）钝化或减薄介质层可降低栅极偏置，但鲜有研究通过降低界面电荷密度来实现。本文首次采用阳极氧化显著降低饱和偏置。以硫化钠五水合物与乙二醇混合液为硫化溶液，阳极固化过程中硫原子与器件表面悬空键结合，封闭表面导电通道，降低表面复合，削弱表面电荷密度，形成致密均匀的单质硫层，再覆盖 200 nm SiO₂，栅极电极置于其上。随界面电荷密度降低，饱和栅极偏置电压随之减小。

本研究基于不同掺杂 π 区的 InAs/GaSb T2SLs，制备了阳极硫化预处理的 LWIR P⁺–π–M–N⁺ 探测器，在低饱和栅极偏置下工作。结果表明：掺杂浓度非越高越好，过高浓度会削弱器件性能；阳极硫化预处理可将栅极偏置显著降至 −10 V，远低于相同厚度 SiO₂ 钝化层、类似结构下无硫化预处理器件报道的 40 V。

方法

材料与结构

材料在 2 英寸 n 型 GaSb (001) 衬底上用固体源 GEN 20 MBE 系统生长。高性能 LWIR 探测器采用 P⁺–π–M–N⁺ 结构。器件示意图、高分辨 X 射线衍射（HRXRD）谱和原子力显微镜（AFM）图见附图 1、2。结构自底向上依次为：1300 nm 厚 P⁺ GaSb 缓冲层、500 nm 厚 8ML InAs/12ML GaSb（Be 掺杂约 1×10¹⁸ cm⁻³）P⁺ 区、2000 nm 微弱 P 型 12ML InAs（Be 掺杂温度 780/800/820 °C）/7ML GaSb π 区、500 nm 未掺杂 18ML InAs/3ML GaSb/5ML AlSb/3ML GaSb M 区、500 nm 厚 18ML InAs/3ML GaSb/5ML AlSb/3ML GaSb（Si 掺杂约 1×10¹⁸ cm⁻³）N⁺ 区、30 nm N⁺ InAs 覆盖层。图 1 还给出了模拟带结构。考虑到 π 区掺杂对性能影响显著，制备了 Be 掺杂温度 780–820 °C 的三个样品。

图 2 显示 P 接触区、P 有源区、M 结构层的超晶格周期分别为 59.3 Å、58.4 Å、89.5 Å，晶格失配分别为 60、0、0 角秒。各区超晶格半高全宽分别为 32、25、12 角秒，表明界面质量优异。图 3 AFM 显示 10×10 μm² 区域内出现原子台阶，均方根粗糙度 1.87 Å。

器件结构与制备

工艺流程参考文献 [12]。先以 SiO₂ 作硬掩膜，经标准光刻、ICP 硬掩膜开窗，再用 CH₄/Cl₂/Ar 混合气体 ICP 刻蚀形成台面，刻蚀至 P⁺ 接触层。去除残余 SiO₂ 后，将晶圆一侧浸入硫化钠-乙二醇混合液，施加恒流并设定阈值电压，表面形成硫原子层，电阻随电压升高至阈值时硫化完成。随后覆盖 200 nm SiO₂，光刻开窗露出顶底电极接触区，另一光刻定义栅控二极管（GD）和无栅二极管（UGD）电极形状，电子束蒸发沉积 Ti (50 nm)/Pt (50 nm)/Au (300 nm)，剥离得到顶、底、栅电极。

图 4 示 GD 结构。通过调节 ICP 功率、RF 功率、气体流量、腔体压力可控制侧壁倾角，本研究实际倾角 80–85°，便于栅极接触沉积在侧壁上。图 5 展示三个掺杂温度（780、800、820 °C）晶粒上各半制备 GD，最终得到 6 个样品：A（780 °C GD）、B（780 °C UGD）、C（800 °C GD）、D（800 °C UGD）、E（820 °C GD）、F（820 °C UGD）。

结果与讨论

红外探测器常用特定探测率 (D*) 表征性能，计算公式为 D* = Ri / √(2qJ + 4kT/RA)，其中 q 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，T 为开尔文温度，Ri 为响应率，J 为暗电流密度，RA 为电阻面积乘积。Ri 可通过 QE = hcRi/(qλ) 转换为量子效率（h 为普朗克常数，c 为光速，λ 为波长）。

图 6 显示不同 π 区掺杂样品在 77 K 下的光学特性。所有样品 50% 截止波长均约 8 μm，100% 截止波长 10 μm。将 π 区变为 p 型虽能提升 QE 和响应率，但并非掺杂温度越高越好。780 °C 样品最大 QE 62.4%，为 820 °C 的 1.5 倍；峰值响应率 2.26 A/W（5 μm）。过高掺杂引入过多杂质，降低过剩载流子寿命/扩散长度，导致 QE 和响应率下降，并引起光谱红移。780 °C 为光学性能最佳掺杂温度。

图 7 显示不同掺杂 UGD 样品在 77 K 下的电学特性。随 π 区掺杂增加，特定偏置下 RA 减小，暗电流密度增大。RA 在接近 0 V 处达最大，随反向偏置增加出现软击穿，暗示隧穿暗电流机制。780 °C 掺杂样品在 −200 mV 处 RA 最大值 1259.4 Ω·cm²，为 820 °C 样品的近 40 倍。−0.1 至 0 V 负偏置范围内暗电流密度相近，780 °C 样品略小。780 °C 样品在 −70 mV 下暗电流 4.9×10⁻³ A/cm²。

图 8 给出不同 π 区掺杂 UGD 样品在 77 K 下的探测率。−30 mV 下，780 °C 样品峰值探测率 5.6×10¹⁰ cm·Hz¹ᐟ²/W（5 μm），为 820 °C 样品（3.8×10¹⁰）的 1.5 倍。适当掺杂浓度至关重要，过高反而削弱性能。

图 9 展示 780 °C Be 掺杂 GD 样品在不同栅极偏置下的电学特性。不同于普通栅压控制器件，本研究首采阳极硫化预处理大幅降低饱和栅极偏置。阳极硫化钝化形成致密均匀单质硫层，电化学反应中硫原子与表面悬空键结合，封闭表面电子通道，隔离表面电子-空穴复合机制。再覆盖 200 nm SiO₂ 保护层，栅极置于侧壁。前人研究表明饱和偏置与介质层厚度近似线性相关。图 9 显示经硫化预处理器件饱和偏置仅 −10 V，而类似结构、同厚度 SiO₂ 无硫化器件约 40 V，降低 4 倍。RA 在近 0 V 处最大 25 Ω·cm²，施加 −10 V 栅极偏置时，−0.3 V 下 RA 为 10 Ω·cm²（无栅极偏置的 40 倍），−0.6 V 下降近两个数量级。暗电流在近 0 V 处最小 2×10⁻⁴ A/cm²，−0.3 V 下降一个数量级。正偏置下栅极电压不影响 IV 曲线。栅极偏置 0 至 −10 V 时 RA 显著增大、暗电流降低；−10 至 −20 V 时 RA 略降、暗电流升高。高反向偏置（如 −1 V）下暗随栅极偏置先降后升（−12 V 后）；低反向偏置（−0.1 V）下暗电流随栅极偏置增加，机制不同。推测：低偏置下高栅极偏置加剧表面散射和热电子效应；高偏置下表面漏电流减弱导致漏电流降低。

图 10 分析 780 °C GD 样品在不同二极管工作偏置下的反向暗电流密度与栅极偏置关系。高反向偏置（−1 V）下存在三个阶段：−20 至 −10 V 栅极偏置时台面处于平带或累积态，暗电流因硫化界面轻微密度不均匀略增；−10 至 −2 V 栅极偏置时台面进入耗尽态，暗电流平滑增加；−2 V 至正偏置时场致耗尽宽度达最大并形成反型层，暗电流密度保持恒定。参考文献 [14] 解释了 −0.5 V 表面生成-复合电流大于 −0.3 V 的原因。

图 11 显示施加 −10 V 栅极偏置时，780 °C GD 样品峰值探测率达 1.3×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²/W（5 μm），为无栅极偏置 780 °C 样品的 2 倍以上，为无栅极偏置 820 °C 样品的 3 倍以上。适当负栅极偏置可显著提升器件性能。

结论

2017 年西北大学报道基于 InAs/InAs₁₋ₓSbₓ T2SLs 的 LWIR nBn 光电探测器，77 K 下截止波长 ∼10 μm，峰值响应率 2.65 A/W（QE 43%），RA 664 Ω·cm²，80 mV 偏置下暗电流密度 8×10⁵ A/cm²，特定探测率 4.72×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²/W。本器件在 −10 V 栅极偏置、0 V 偏置下峰值特定探测率 1.3×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²/W，与 nBn 器件相当，但 RA 均一性较差影响性能。

总之，通过 π 区掺杂强制有源区变为 p 型可有效提升 LWIR InAs/GaSb 超晶格 P⁺–π–M–N⁺ 探测器性能，但掺杂浓度非越高越好，过高反而降低电学和光学性能。77 K 光学表征得 780 °C 掺杂下最大 QE 62.4%（4.26 μm）、最大响应率 2.26 A/W（5 μm）；电学表征得最大 RA 1259.4 Ω·cm²，最大特定探测率 5.6×10¹⁰ cm·Hz¹ᐟ²/W（5 μm）。阳极硫化预处理可将饱和偏置大幅降至 −10 V（同结构同厚度 SiO₂ 无硫化器件为 40 V）。施加适当负栅极偏置可显著改善性能：780 °C 掺杂、−10 V 栅极偏置、0 V 偏置下峰值特定探测率达 1.3×10¹¹ cm·Hz¹ᐟ²/W（5 μm，77 K）。受限于实验条件本文选用 SiO₂ 作介质层，后续拟采用高介电常数材料进一步降低栅极偏置电压。