摘要
超小中心距InGaAs探测器的制备需要降低探测器像元间的串音和探测器的暗电流。通过探索微台面InGaAs探测器制备工艺，成功制备了10 μm和5 μm中心距微台面InGaAs光敏芯片测试结构，并对其像元间的串音和探测器的暗电流进行了详细研究。结果表明，当隔离沟槽刻蚀进入吸收层时，微台面结构能有效抑制像元间的串音；但是由于在制备微台面器件过程中造成的材料损伤，由此引起的复合电流和欧姆漏电流的增加，会导致探测器暗电流增幅超过一个数量级。研究结果为制备超小中心距InGaAs焦平面探测器提供了新思路和启示。
InGaAs是直接带隙的三元化合物半导体，其禁带宽度可在InAs的0.36 eV与GaAs的1.42 eV之间变
In0.53Ga0.47As/InP探测器的一个重要的发展趋势就是像素中心距不断减小，面阵规模越来越
根据探测器光敏元成结技术的不同，InGaAs探测器分为
图1 InGaAs探测器类型示意图：(a) 平面型InGaAs探测器；(b) 台面型InGaAs探测器
Fig. 1 InGaAs detector type diagram：(a) plane type InGaAs detector； (b) mesa type InGaAs detector
本文结合平面型探测器暗电流低和台面型探测器串音低的优势，创新地引入
图2 微台面InGaAs探测器
Fig. 2 Micro-mesa type InGaAs detector
器件制备采用的材料结构如
为了在对比分析微台面结构和平面型结构器件时能有效控制变量，通过设计工艺流程，在制备隔离沟槽时，采用SiNx介质层对平面型器件的表面进行了保护，最终在同一片材料上同时实现了两种器件的制备，器件制备工艺流程示意图如
图3 器件制备工艺流程示意图
Fig. 3 Schematic diagram of device fabrication process
实验采用ADVANCED MEMS公司的IBE150离子束刻蚀机制备了微台面器件的隔离沟槽。刻蚀条件为：刻蚀气体：Ar；腔体压强：2×1
图4 刻蚀掩膜SiNx和InP刻蚀深度与刻蚀时间的关系
Fig. 4 The relationship between SiNx and InP etching depth with etching time
基于上述工艺成功制备了10 μm中心距、扩散孔直径为5 μm的平面型、隔离沟槽分别为1、2和3 μm的光敏芯片测试结构，以及5 μm中心距、扩散孔直径为1.5 μm的平面型、隔离沟槽为1 μm的光敏芯片测试结构。为了表达方便，在本文中以10-5-1、2、3来表达上述结构，如10-5-2表示10 μm中心距、5 μm扩散孔、2 μm宽隔离沟槽的微台面器件。
图5 器件部分实物图:(a) 共聚焦显微镜拍摄的器件形貌图；(b) 2 μm隔离沟槽的微台面器件InGaAs形貌；(c) 微台面串音测试结构实物图
Fig.5 Physical diagram of part of devices：(a) image of device morphology taken by a confocal microscope; (b) InGaAs morphology of a 2 μm isolated trench micromesa device; (c) micromesa crosstalk test structure physical diagram
为研究隔离沟槽深度对串扰的抑制作用，制备了两种不同深度的隔离沟槽，分别为0.7 μm和1.4 μm。
采用了两种方式表征微台面结构对串扰的抑制作用，第一种测试响应电流，测试结构示意图如
图6 串音测试结构示意图
Fig. 6 Crosstalk test structure diagram
当微台面器件的隔离沟槽刻蚀未进入吸收层时，微台面器件和平面型器件的光电流和光电压几乎一致，说明微台面器件对串音几乎没有抑制作用，测试结果如
图7 隔离沟槽刻蚀未进入吸收层时微台面器件和平面型器件串音测试结果对比
Fig. 7 Comparison of crosstalk test results of micromesa devices and planar devices when isolation trenches etching does not enter the absorption layer
当微台面器件的隔离沟槽刻蚀进入吸收层时，微台面器件的光电流和光电压远远小于平面型器件的光电流和光电压，说明此时微台面器件对串音的抑制效果明显，特别是当隔离沟槽为3 μm时，由于p-n结暴露，串音几乎完全消失，测试结果如
图8 隔离沟槽刻蚀进入吸收层时微台面器件和平面型器件串音测试结果对比
Fig. 8 Comparison of crosstalk test results of micromesa devices and planar devices when isolation trenches etched into the absorption layer
基于上述结果，制备了5 μm中心距、1.5 μm扩散孔平面型器件和微台面型器件，微台面隔离沟槽深度设计为1.4 μm和0.7 μm，宽度为1 μm。为了定量表征微台面结构对串扰的抑制作用，采用了如
图9 黑体响应信号测试示意图
Fig. 9 Blackbody response signal test structure diagram
除了串扰特性之外，探测器的暗电流直接影响信噪比。论文首先对5 μm中心距平面型和微台面器件的暗电流进行了测试分析。5 μm中心距平面和隔离沟槽宽度为1 μm的微台面结构的暗电流如
图10 5 μm中心距平面和微台面结构的暗电流。
Fig. 10 Dark current of 5 μm pixel pitch plane and micromesa structure.
进一步研究了隔离沟槽宽度和深度对微台面器件暗电流的影响。对于10 μm中心距、扩散孔直径为5 μm的器件，当隔离沟槽刻蚀未进入吸收层时，不同隔离沟槽宽度的微台面器件的暗电流如
图11 隔离沟槽刻蚀未进入吸收层时平面型器件和不同隔离沟槽宽度微台面器件暗电流
Fig. 11 Dark currents of planar devices and micromesa devices with different isolation groove widths when the isolation trench etching does not enter the absorption layer
而对于10 μm中心距器件，当隔离沟槽刻蚀进入吸收层时，不同隔离沟槽宽度的微台面器件的暗电流如
图12 隔离沟槽刻蚀进入吸收层时平面型器件和不同隔离沟槽宽度微台面器件暗电流。
Fig. 12 The dark current of planar devices and micromesa devices with different isolation groove widths when the isolation trench etches into the absorption layer
为了进一步分析微台面探测器暗电流的主要成分，从而为降低微台面器件暗电流提供指导依据，论文还测量了10 μm中心距器件在不同温度下的暗电流。当隔离沟槽刻蚀未进入吸收层时，通过拟合得到的探测器的激活能如
图13 隔离沟槽刻蚀未进入吸收层时拟合得到的器件激活能
Fig. 13 The activation energy obtained when the isolation trenches etching does not enter the absorption layer
而当隔离沟槽刻蚀进入吸收层时，通过拟合得到的探测器的激活能如
图14 隔离沟槽刻蚀进入吸收层时拟合得到的器件激活能
Fig. 14 The activation energy obtained when the isolation trenches etching enters the absorption layer
为解决超小间距InGaAs探测器的串扰难题，论文提出了微台面结构，突破了超小间距微台面InGaAs探测器的工艺难点，成功制备了5 μm中心距超小像素光敏芯片。研究了微台面结构对InGaAs探测器串扰和暗电流特性的影响，发现微台面结构能有效抑制像素间的电串音，但是在制备微台面器件隔离沟槽时额外引入的产生复合电流和欧姆漏电流会使微台面器件暗电流急剧增大。需要优化低损伤刻蚀和表面钝化方法，实现在抑制串扰的同时减小暗电流。论文结果为实现超小像素InGaAs焦平面探测器提供了理论依据。
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