高性能阳极硫化预处理门控 P+–π–M–N+ InAs/GaSb 超晶格长波红外探测器

摘要

InAs/GaSb 超晶格红外探测器的开发付出了巨大的努力。然而，它的性能，尤其是长波长红外探测器（LWIR），仍然受到电性能和光量子效率（QE）的限制。强制活动区域为 p 型通过适当的掺杂可以极大地提高 QE，并且可以采用门控技术大大提高电气性能。然而，饱和偏压太高。降低饱和偏置电压对于栅极电压控制器件的未来应用具有广阔的前景。在本文中，我们报告门控 P⁺ –π –M–N⁺ InAs/GaSb 超晶格长波长红外探测器表现出不同的 π 区掺杂水平，在经过简单有效的阳极硫化预处理后，具有 200 nm SiO2 层的 - 10 V 下的最小饱和偏压降低。饱和栅极偏置电压远低于 - 40 V，据报道具有相同厚度的 200 nm SiO2 钝化层和类似结构。光学和电学特性表明器件的电学和光学性能会因掺杂浓度过高而减弱。在 77 K 时，器件的 50% 截止波长约为 8 µm，100% 截止波长为 10 µm，最大量子效率为 62.4%，最大响应率为 2.26 A/W 在 5 µm，最大设备的 RA 为 1259.4 Ω cm² .此外，无栅电极的 Be 780 °C 掺杂检测器的比检测率峰值为 5.6 × 10¹⁰ 厘米赫兹^1/2 /W 在 5 µm 处，反向偏置电压为 70 mv，是掺 Be 820 °C 检测器的三倍多。此外，峰特异性检测率可以进一步提高到1.3 × 10¹¹ 厘米赫兹^1/2 /W 在 5 µm 处，具有 10-mv 备用偏置电压，在栅电极处具有 - 10 V 的偏置。

介绍

自 Sai-Halasz 等人以来，II 型应变层超晶格 (T2SL) 越来越成为当前研究的焦点。 [1] 提出了它的概念。通过仔细设计 T2SL [2] 的能带结构和应变，可以生成高性能红外探测器。 InAs/GaSb 超晶格是 T2SL 的一个被充分研究的成员，是一种优秀的材料系统，在红外探测器中具有广阔的前景 [3]。 InAs/GaSb 超晶格红外探测器的开发付出了巨大的努力。然而，它的性能，尤其是长波长红外探测器（LWIR），仍然受到电性能和光量子效率（QE）的限制[4]。长波红外探测器相应的环境温度（地基）约为 300 K，对应于 9.6 µm 的峰值波长（长波红外大气透射窗口的中心），具有广泛的应用 [5]。广泛应用于气体探测、夜视、红外预警、红外遥感、红外制导等各个领域，不仅用于军事用途，也适用于人们的生活。研制高性能长波红外探测器具有极其重要的意义和挑战性。

探测器的结构设计和工艺准备对长波红外探测器的性能有显着影响。增加有源区的厚度似乎是改善 QE 最直接、最有效的方法。然而，随着厚度的增加，更多的陷阱中心被引入，导致探测器的电特性降低。在 LWIR 和超长波长红外探测器 (VLWIR) 中，InAs 层往往比 GaSb 层厚。因此，材料是 n -型（少数载流子是空穴）。强制活动区域为 p 型通过适当的掺杂可以大大增加 QE，而不会改变器件的区域尺寸 [6]。然而，并不是掺杂浓度越高，器件性能的提升就越多。特别是掺杂浓度过高会削弱器件的电学[7]和光学性能。

除了改变π中的掺杂浓度区域，门控技术最近已应用于中波长红外探测器 (MWIR) 和 LWIR 探测器 [8]，以提高器件性能。然而，它需要非常高的栅极偏置电压。栅极偏置可以用方程表示。 (1).

$$\sigma =\varepsilon \varepsilon_{0} V/d,$$ (1)

其中$\varepsilon$表示介电层的相对介电常数，$\varepsilon_{0}$表示真空的介电常数，V 指的是饱和栅极偏置电压，d 是介电层的厚度，σ 代表界面上的电荷密度。根据公式费了很大力气减弱了栅极偏置；使用高 k 电介质（如 Y2O3 [9]）钝化或减少层的厚度 [10] 的方法是有效的。然而，关于降低电荷密度的研究很少。在本文中，首先进行阳极氧化以显着降低饱和偏差。 NaS2·5H2O 和乙二醇的混合物用作硫化溶液。在阳极固化过程中，器件表面的硫原子和悬空键的结合使器件表面的导电通道关闭[11]，减少了器件的表面复合，削弱了器件表面的电荷密度。设备。然后，在器件表面得到一层致密均匀的元素硫。接下来，元素硫层的表面覆盖有 200 nm SiO2 层。栅电极放置在 SiO2 层上。随着界面电荷密度的降低，饱和栅极偏置电压降低。

在本研究中，阳极硫化预处理的 LWIR P⁺ –π –M–N⁺ 探测器在低饱和栅极偏置电压下制造，基于具有不同掺杂 π 的 InAs/GaSb T2SL 地区。结果表明，并不是掺杂浓度越高，器件性能的提高就越多。具体而言，器件的电学和光学性能会因掺杂浓度过高而减弱。此外，阳极硫化预处理可以显着降低- 10 V的栅极偏压，远低于相同厚度的200-nm SiO2钝化层和类似结构的约40 V。

方法

材料和结构

材料由 2 英寸 n 上的固体源 GEN 20 MBE 系统生产型 GaSb (001) 衬底。在这项工作中，高性能长波红外探测器基于 P⁺ –π –M–N⁺ 结构体。器件的示意图、高分辨率 X 射线衍射 (HRXRD) 图案和原子力显微镜 (AFM) 如图 1 和图 2 所示。 1 和 2。图 1 表明该结构由 1300 nm 厚的 P⁺ 组成 GaSb 缓冲液，然后是 500 nm 厚的 8-ML InAs/12-ML GaSb（Be：约 1 × 10¹⁸ 厘米⁻³ )P⁺ 区域，2000-nm 轻度 P 掺杂 12-ML InAs (Be:780 °C 800 °C 820 °C)/7-ML GaSb π 区域，500 纳米未掺杂的 18-ML InAs/3-ML GaSb/5-ML AlSb/3-ML GaSb M 区域，500-nm 厚 18-ML InAs/3-ML GaSb/5-ML AlSb /3-ML GaSb（Si：约1 × 10¹⁸ 厘米⁻³ ) N⁺ 区域和 30 纳米 N⁺ InAs 帽层。并且它还显示了与结构的模拟带对齐。考虑到 P⁺ 的性能 –π –M–N⁺ π 的掺杂会显着影响 LWIR 探测器区域，我们制备了三个不同 Be 掺杂温度的样品，从 780 到 820 °C。

结果与讨论

在红外探测器中，特定探测率 (D *) 通常用于表征检测器性能，其计算公式为(2).

$$D^{*} =\frac{Ri}{{\sqrt {2qJ + 4\frac{kT}{{RA}}} }}$$ (2)

其中 q 表示电子电荷量； K 指玻尔兹曼常数； T 是开尔文温度； Ri是指红外探测器的响应度； J 是器件在一定偏压下的暗电流密度；和 RA 是指电阻值和芯片面积的乘积。 J 和 RA 表征器件的电气性能。而 Ri 可以通过以下公式转换为 QE：

$$QE =\frac{hC}{{q\lambda }}Ri$$ (3)

其中$h$ 是普朗克常数，${ }C$ 是光速，q 表示电荷量，${}\lambda$ 是特定波长，QE 和 Ri 表征器件的光学性能。图 6 展示了不同 π 样品的光学特性 77 K 时的区域掺杂水平。所有样品在 77 K 时具有相似的 50% 截止波长和 10 µm 的 100% 截止波长。虽然可以通过改变掺杂类型来提高器件的 QE 和响应度p -π 的类型区域，并不是温度越高，QE 和响应度就越高。然而，QE和响应度随着掺杂浓度的增加而显着降低。对于 II 型应变层超晶格 (T2SL)，生长期间的掺杂温度对掺杂浓度至关重要。温度越高，掺杂浓度越高。 780°C的QE达到最大值62.4%，是820°C的QE的1.5倍。这是因为随着掺杂浓度的增加，引入了过多的杂质，导致过剩载流子寿命/扩散长度减少，QE和响应率降低[6]。此外，它们导致图 6a 中的光谱红移。图 6a 和 b 表明，780 °C 是光学表征材料的最佳掺杂温度，在 5 µm 处的峰值响应率为 2.26 A/W，峰值 QE 为 62.4%。

结论

2017 年西北大学报告了基于 InAs/InAs1−x 的长波长红外 (LWIR) nBn 光电探测器 Sbx II 型超晶格。该器件在 77 K 下的截止波长为 10 µm，峰值响应率为 2.65 A/W，对应于 43% 的量子效率和 RA 664 Ω cm² 暗电流密度为8 × 10⁵ A/cm² , 在 77 K 时，在 80 mV 偏置电压下；光电探测器的比探测率为 4.72 × 10¹¹ 厘米赫兹^1/2 /W [5]。该器件峰值响应率为1.3 × 10¹¹ 厘米赫兹^1/2 /W 在 5 µm 和 0 V 下，- 10 V 栅极偏置电压与 nBn 器件相当。但弱点是影响器件性能的器件RA均匀性。

总之，强制活动区域为 p -通过在π中掺杂区域可以有效提高 LWIR InAs/GaSb 超晶格 P⁺ 的性能 –π –M–N⁺ 检测器[6]。然而，并不是掺杂浓度越高，器件性能的提升就越多。特别是，器件的电学和光学性能会因掺杂浓度过高而降低。 77 K 下的光学特性表明，我们在 4.26 µm 处获得了 62.4% 的 QE 最大值，在 5 µm 处获得了 2.26 A/W 的最大值，其中掺有 780 °C 的 Be。电气特性表明 RA 的最大值为 1259.4 Ω cm² 获得掺有 780 °C 的 Be。比检测率达到最大值5.6 × 10¹⁰ 厘米赫兹^1/2 /W 在 5 µm 处掺杂有 Be，温度为 780 °C。此外，通过简单有效的阳极硫化预处理可以显着降低器件的饱和偏差。硫化预处理显示出降低栅极偏置电压的潜力。电学表征表明，饱和偏压仅为- 10 V，而在其他研究中，在相同厚度的SiO2层中，未经硫化预处理的类似结构的饱和偏压为40 V。此外，通过在栅电极上施加适当的负偏压，可以显着提高器件性能。最大1.3 × 10¹¹ 厘米赫兹^1/2 /W 在 5 µm 和 0 V 时达到 - 10 V 栅极偏置电压，在 77 K 下掺杂了 780 °C 的 Be。受实验设备和实验条件的限制，我们选择 SiO2 作为介电层，但在后续，考虑使用 Hi-K 培养基进行进一步的实验。理论上可以进一步降低栅极偏置电压。