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InAs/GaSb II类超晶格红外探测器光敏元蚀刻表面特性  PDF

  • 崔玉容 1,2 ✉
  • 徐志成 1
  • 黄敏 1
  • 许佳佳 1
  • 陈建新 1,2 ✉
  • 何力 1
1. 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海　200083； 2. 中国科学院大学，北京　100049

中图分类号： TN304.2； TN305

最近更新：2021-08-25

DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2021.04.001

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EN 引
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摘要

采用刻蚀技术形成台面结构的红外探测器光敏元，其表面漏电流和器件热稳定性与半导体蚀刻表面的特性密切相关。对制备的InAs/GaSb II类超晶格中波红外探测器台面蚀刻区域特性进行了研究报道。通过台面结栅控结构和快速热退火相结合的实验研究，发现热退火处理使得样品在温度80 K，偏置电压-0.05 V下的暗电流密度从2.17×10-7 A/cm2上升至6.96×10-5 A/cm2，并且有无退火样品的暗电流随偏置电压变化表现出明显的不同。退火导致光敏元台面侧壁电荷密度上升2.76×1012 cm-2，引起了表面漏电流的增加，利用X射线光电子能谱（XPS）发现退火后台面蚀刻区域Sb单质含量增加。

引言

自从二十世纪90年代初Smith和Mailhiot提出了InAs/Ga（In）Sb二类超晶格材料可以用于红外探测器制备的设想［

1］，该技术得到了广泛地关注和持续地发展［2-5］。InAs/GaSb 二类超晶格红外探测器具有能量带隙灵活可调、低俄歇复合速率以及成熟的III-V族材料器件制备技术等优势。近年来，借助于能带工程，研究人员开发出多种新型II类超晶格探测器结构，从而降低探测器暗电流，提高探测器工作温度，包括美国西北大学的“M”型结构［6］，喷气动力实验室的互补势垒红外探测器（CBIRD）结构［7］、新墨西哥大学的双势垒异质结构（PBIBN）［8］、 势垒阻挡型器件 （XBp及XBn）［9-10］和带间级联（ICIP） ［11-12］等器件结构。同时，不同波段的高性能InAs/GaSb 二类超晶格红外探测器阵列也已成功制备并相继被报道［13-17］

InAs / GaSb II类超晶格红外探测器的制备通常采用台面结结构［

18］，这使得pn结结区将会受到经过刻蚀的台面侧壁影响。台面成型时半导体化学键的断裂将会产生大量的悬挂键，影响侧壁电学状态；同时，台面侧壁状态还将受蚀刻洁净度、粗糙度，元素配比及价态等诸多因素影响。因此，台面结侧壁质量对器件的表面漏电特性有着决定性的作用，成为红外探测器工艺可靠性及热稳定性的关键决定因素。在过去十几年内，在超晶格红外探测器的台面成型、钝化工艺及表面处理方面已经有过大量的研究报道，然而受限于表征技术，台面侧壁表面的物理特性与漏电流的关联性研究还非常不足，对于器件热稳定与台面侧壁状态的关联性认识更是鲜有报道。

本文对InAs/GaSb II 类超晶格中波红外探测器的台面侧壁特性进行了分析研究。通过快速热退火处理工艺发现退火后探测器的暗电流增加，利用台面结栅控结构发现退火后器件的侧壁表面处于电子积累状态，导致表面能带弯曲，产生严重的表面漏电，最后结合退火和未退火样品随栅压的转移特性曲线，并利用台面蚀刻区域X射线光电子能谱（XPS）测试对超晶格中波探测器的表面物化特性进行了讨论。

1 实验

文中的超晶格红外探测器通过固态源分子束外延技术进行生长制备［

19］，衬底为2英寸的（001）晶向GaSb单晶片。探测器采用p-i-n结构，包括1 μm掺杂浓度为1×1018 cm-‍3的P型GaSb缓冲层，50周期掺杂浓度为1×1018 cm-3的P型8ML InAs/6ML GaSb超晶格，300周期的8ML InAs/6ML GaSb超晶格吸收区，50周期掺杂浓度为1×1018 cm-3的n型8ML InAs/6ML GaSb超晶格和30 nm掺杂浓度为1×1018 cm-3的n型InAs覆盖层，Be和Si分别作为P型和N型掺杂源，GaSb缓冲层和InAs覆盖层作为欧姆接触层。

采用该材料共制备两组探测器样品，所有探测器台面均采用常规的光刻工艺和电感耦合等离子体（ICP）干法刻蚀形成，刻蚀气体为Cl2/N2体系，光敏元台面面积为200 ‍μm×400‍‍ ‍μm，具体工艺信息见表1。其中，第一组的两个样品分别为 1号和2号样品，采用栅控结构，在器件台面刻蚀完成后，利用电感耦合等离子体化学气相沉积方法（ICP-‍CVD）在侧壁生长300 nm厚的Si3N4绝缘层，然后通过ICP刻蚀形成电极孔，最后用电子束蒸发制备 Ti/Pt/Au金属电极。制备得到的栅控结构器件，如图1（a）所示，通过在图中Gate区施加栅压可改变侧壁表面势，获得器件的栅控特性，Source和Ground区分别代表探测器的上电极和下电极。第二组的两个样品分别为3号和4号样品，为了方便XPS测试，在器件台面刻蚀完成后，未进行钝化层生长，直接通过电子束蒸发制备 Ti/Pt/Au金属电极，器件结构如图1（b）所示。

表1 InAs/GaSb超晶格探测器样品制备工艺对照表
Table1 List of four InAs/GaSb type-II superlattice detector samples under different fabrication processes
样品编号钝化栅控结构退火
第一组 1 √ √ ×
2 √ √ √
第二组 3 × × ×
4 × × √

图1 InAs/GaSb超晶格探测器台面结构示意图（a）栅控结构器件，（b）无钝化器件

Fig.1 Schematic diagrams of mesa-structured InAs/GaSb superlattice detectors (a) gate-controlled structure device, (b) device without passivation

所有器件制备完成后，2号、4号样品进行了250 ℃、1 min氮气氛围下的快速热退火（RTA）处理，该温度对应电极金属化所需温度，同时也是器件在后续制备过程中可能经受的最高工艺温度。

最后所有器件封装至液氮杜瓦中对光电特性进行测试。利用傅里叶变换红外光谱仪进行了响应光谱特性测试；黑体响应测试则采用温度为800 K的标准黑体，信号采集由前置放大器和锁相放大器完成；通过Keythley4200测试系统进行了器件暗电流-电压特性测试。所有测试均在液氮温度下进行。探测器台面XPS测试扫描步长100 meV，积分时间200 ms。

2 结果与讨论

图2是测试得到的探测器响应光谱，测试温度为77 K。器件50%响应截止波长为5 μm，退火和未退火样品的相对响应光谱没有发现明显变化，器件的黑体电流响应率也未随退火发生变化，均为0.34 A/W。图3是在未施加栅极偏压条件下测试得到的第一组样品的电流-电压曲线，1号和2号样品分别用黑色线和红色线表示。在-‍0.05 V偏压下，1号样品的暗电流是1.66×10-7 A/cm2， 2号样品的暗电流是1.13×10-5 A/cm2，与未退火样品相比，退火器件的暗电流上升了2个数量级，并且暗电流斜率发生了明显变化，表明退火后样品暗电流的主要产生机制发生了改变。

图2 液氮温度下的器件响应光谱

Fig. 2 Response spectrum of device at liquid-nitrogen temperature

图3 栅控器件样品的电流-电压特性曲线

Fig. 3 Current-voltage curves of gate-controlled devices

为了对探测器退火前后暗电流特性的变化因素进行分析，通过施加栅压对两个器件的电流-电压特性进行了系统测试。栅控结构能够通过栅极电压控制侧壁表面势，从而推算零栅压下，器件的表面电学状态［

20］。图4是1号样品（黑色）和2样品（红色）暗电流密度随栅极偏压的变化曲线，探测器偏置电压设定为-0.05 V。从图中可以看出，两个样品表现出了完全不同的电学特性。当栅极偏压向正向逐渐增大时，两个样品的暗电流皆表现出增加的趋势，1号样品的暗电流从栅极偏压0 V时的1.66×10-7 A/cm2增加到栅极偏压20 V时的5.33×10-6 A/cm2，而此时2号样品的暗电流从1.13×10-5 A/cm2增加到了6.41×10-‍4 A/cm2。在20 V栅极偏压下，2号样品的暗电流比1号样品仍然高出了2个数量级。不过，随着栅极偏压继续增加，2号样品的暗电流逐渐趋向饱和。当栅极偏压向反向逐渐增大时，1号样品的暗电流同样逐渐增加，然而2号样品的暗电流却持续下降，并且在-20 V左右趋向于饱和，此时暗电流达到最低水平，与1号样品零偏时的暗电流密度相同，这也表明退火后器件性能的衰退是由于器件侧边状态的改变而导致的。

图4 栅控器件暗电流密度（-0.05 V）随栅极偏压的变化曲线

Fig. 4 The transfer characteristic curves of the gate-controlled devices at -0.05 V bias

为了对上述现象进行分析讨论，图5给出了该超晶格中波台面结探测器表面状态为电子聚集图5 （a）和空穴聚集图5（b）的示意图。栅极电压调控可以控制台面侧壁处的能带弯曲状态，使得i型吸收区的表面载流子在累积、耗尽、反型中转变［

21］，在电子聚集或空穴聚集情况下，都会导致表面出现n+/p+结区，如图中红色区域所示，诱发强电场并导致严重的表面隧穿电流。而只有当表面处于耗尽区或弱反型时，表面诱导载流子通道基本被关闭，才不会产生额外的表面漏电。因此，从图4中的曲线可以推测：1号未退火样品侧壁状态较好，能带弯曲程度小，表面费米能级在禁带深处，没有额外载流子导致表面漏电通道，器件暗电流小。然而当栅压向正向或反向逐渐增大时，1号样品表面形成电子聚集或空穴聚集状态将产生载流子通道，导致表面漏电流增加。因此随着栅极偏压向正反向增加，暗电流均表现出逐渐增大的趋势。2号样品的转移特性曲线则表明在零栅压下其表面即已处于电子聚集状态，诱导电子与下方的p+层形成强电场，导致严重的表面漏电。只有当施加负栅压时，电子被排斥，表面漏电通道被关闭，器件才能恢复为体结主导的暗电流密度，达到与1号样品相似的性能。同时根据样品2随栅极偏压变化暗电流趋向饱和的现象，可以推断其i型区不再能发生空穴聚集，这可能是由于退火后界面产生了显著的空穴陷阱，发生了费米能级钉扎效应［22］。根据1、2号样品表面为n型时暗电流上升沿的栅压偏移量∆VG与钝化层电容大小Ci，可以大致估算RTA后增加的表面固定电荷密度为［23］：

∆Qs=∆VG·Ci/q=∆VG·εiε0d/q=+2.76×1012 cm-2 ， （1）

其中，εi为Si3N4相对介电常数，取εi =7.5［

23］，ε0为真空介电常数，d为绝缘层厚度，q为电子电荷。

图5 光敏元侧壁表面器件示意图 (a)电子聚集，(b)空穴聚集注：红色区域为强电场区

Fig. 5 Schematic diagrams of sidewall under (a) electron accumulation and ( b) hole accumulation at surface Note：The red areas indicate high electric field regions

为了对退火前后样品表面漏电特性变化的起因进行进一步地分析，对第二组未钝化样品也进行了电流-电压曲线测试，在偏压为-0.05 V时，3号样品的暗电流密度是2.17×10-‍7 A/cm2，与1号样品的暗电流几乎一致，然而4号退火样品的暗电流相比3号样品上升了两个数量级，表现出了与2号样品同样的特性，此结果表明钝化层对器件性能在退火工艺中的演化影响不大，退火后造成器件暗电流衰退的主要因素来自于器件蚀刻表面的影响。

图6是第二组样品的XPS测试结果，图中只给出Sb 3d5/2元素峰对应的曲线［

24］，对于In 3d5/2元素峰、Ga 2p3/2元素峰和As 3d元素峰，在样品有无退火时并无明显变化。然而对于Sb 3d5/2元素峰，退火后样品的XPS测试 Sb单质峰由3.69%增加到了5.28%，是未退火样品的1.43倍，这表明Sb单质变化与表面状态的演化强相关。根据化学反应［25］：

2GaSb+Sb2O3↔Ga2O3+4Sb ， （2）
10GaSb+3Sb2O5↔5Ga2O3+16Sb . （3）

图6 第二组样品Sb 3d5/2元素峰的XPS测试结果

Fig. 6 Sb 3d5/2 XPS spectra of sample 3 and sample 4

如果器件蚀刻表面存在锑氧化物，那么退火过程中超晶格表面的GaSb将与锑氧化物反应生成Sb单质，并且Sb的金属功函数为4.55 eV，i型超晶格材料的费米能级约为4.75 eV，两者产生的功函数差将使得台面结侧壁表面能带向下弯曲，表面处于电子聚集状态，同时，Sb单质的增加也改变了表面电荷密度［

25-26］。根据上述结果和讨论，能够推断超晶格探测器台面蚀刻非常容易产生锑氧化物，尽管锑氧化物不具有导电特性，或者其并不直接造成表面漏电流的增加，但会破坏器件的热稳定性，其与超晶格中GaSb反应生成的Sb单质将严重影响器件性能。

3 结论

对InAs/GaSb II类超晶格中波光电探测器台面结光敏元蚀刻表面特性进行了研究，经过250℃ 60 s的RTA后，超晶格探测器的暗电流密度从2.17×10-7 A/cm2上升到6.96×10-‍5 A‍/cm2。利用栅控结构表征研究发现，暗电流的上升主要是由于表面产生了面密度约为2.76×1012 cm-2的正界面电荷，形成了n+区漏电通道，导致了很强的表面隧穿电流。XPS测试结果显示，退火后，表面Sb单质含量增加，分析其来源是由于光敏元蚀刻表面锑氧化物与GaSb反应所致。本研究表明台面侧壁锑氧化物的控制对于获得高性能高热稳定性的超晶格红外探测器至关重要，为后续进一步的工艺优化研究提供了理论指导。

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