Высокопроизводительный анодно-вулканизированный, с гейтовым предобработкой P⁺–π–M⁺ сверхрешетка InAs/GaSb для детектирования в дальнем инфракрасном диапазоне

Аннотация

Инфракрасные детекторы на основе сверхрешеток InAs/GaSb развивались с огромными усилиями. Однако их производительность, особенно детекторов дальнего инфракрасного диапазона (LWIR), всё ещё ограничивается электрическими характеристиками и оптической квантовой эффективностью (QE). Принудительное приведение активной области к p-типу через соответствующее легирование может существенно повысить QE, а гейтовая техника позволяет значительно улучшить электрические характеристики. Однако напряжение насыщения смещения оказывается слишком высоким. Снижение напряжения насыщения смещения открывает широкие перспективы для будущего применения устройств с гейтовым управлением. В данной работе сообщается, что гейтовые детекторы P⁺–π–M–N⁺ на сверхрешетке InAs/GaSb для LWIR с разными уровнями легирования π-области демонстрируют сниженное минимальное напряжение насыщения при −10 В со слоем SiO₂ толщиной 200 нм после простой и эффективной анодной вулканизации предобработки. Напряжение насыщения гейта значительно ниже −40 В, сообщаемых для той же толщины пассивирующего слоя SiO₂ 200 нм и похожей структуры. Оптическая и электрическая характеристика показывает, что электрические и оптические характеристики устройства ухудшаются при чрезмерной концентрации легирования. При 77 К 50%-ная длина волны среза составляет около 8 мкм, 100%-ная — 10 мкм, максимальная квантовая эффективность — 62,4%, максимальная чувствительность — 2,26 А/Вт при 5 мкм, а максимальное произведение RA — 1259,4 Ом·см². Кроме того, пиковая удельная обнаруживаемость детектора без гейтового электрода, залегированного Be при 780 °C, составляет 5,6 × 10¹⁰ см·Гц¹ᐟ²/Вт при 5 мкм с обратным смещением 70 мВ, что более чем в три раза превосходит детектор, залегированный Be при 820 °C. Более того, пиковая удельная обнаруживаемость может быть дополнительно увеличена до 1,3 × 10¹¹ см·Гц¹ᐟ²/Вт при 5 мкм с обратным смещением 10 мВ при смещении −10 В на гейтовом электроде.

Введение

Тип-II деформированные сверхрешетки (T2SL) всё больше становятся фокусом текущих исследований с тех пор, как Сай-Халаш и соавт. [1] предложили их концепцию. Высокопроизводительные инфракрасные детекторы могут быть созданы путем тщательного проектирования зонной структуры и деформации T2SL [2]. Сверхрешетка InAs/GaSb, хорошо изученный представитель T2SL, является отличной материальной системой, демонстрирующей широкие перспективы в инфракрасных детекторах [3]. Детекторы на сверхрешетке InAs/GaSb развивались с огромными усилиями. Однако их производительность, особенно LWIR-детекторов, всё ещё ограничивается электрическими характеристиками и оптической квантовой эффективностью (QE) [4]. Соответствующая окружающая температура (наземные условия) для LWIR-детекторов составляет около 300 К, что соответствует пиковой длине волны 9,6 мкм (центр атмосферного окна пропускания LWIR) и имеет широкий спектр применений [5]. Они широко используются в различных областях: газоанализ, ночное видение, инфракрасное раннее предупреждение, дистанционное зондирование и инфракрасное наведение — не только в военных целях, но и в быту. Создание высокопроизводительных длинноволновых инфракрасных детекторов является невероятно значимой и сложной задачей.

Структурное проектирование и технологическая подготовка детектора существенно влияют на производительность LWIR-детектора. Увеличение толщины активной области казалось самым прямым и эффективным способом повышения QE. Однако вместе с увеличением толщины вводится больше ловушечных центров, что ведет к снижению электрических характеристик детектора. В LWIR и очень длинноволновых инфракрасных детекторах (VLWIR) слой InAs склонен быть толще слоя GaSb. Таким образом, материал является n-типовым (меньшинственные носители — дырочки). Принудительное приведение активной области к p-типу через соответствующее легирование может высоко увеличить QE без изменения размера области устройства [6]. Однако не чем выше концентрация легирования, тем больше улучшение характеристик устройства. В частности, электрические [7] и оптические характеристики устройства могут быть ослаблены чрезмерной концентрацией легирования.

Помимо изменения концентрации легирования в π-области, гейтовая техника недавно применялась в детекторах среднего (MWIR) и длинного (LWIR) инфракрасного диапазонов [8] для улучшения характеристик устройств. Однако она требует очень высокого гейтового напряжения смещения. Гейтовое смещение может быть выражено уравнением (1).

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

где \(\varepsilon\) — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя, \(\varepsilon_{0}\) — диэлектрическая постоянная вакуума, V — напряжение насыщения гейтового смещения, d — толщина диэлектрического слоя, а σ — плотность заряда на границе. Гейтовое смещение было снижено на основе формулы с большими усилиями; использование диэлектриков с высоким k, таких как Y₂O₃ [9], для пассивации или уменьшение толщины слоя [10] эффективны. Однако исследований, снижающих плотность заряда, мало. В данной работе впервые применяется анодирование для значительного снижения напряжения насыщения. В качестве вулканизирующего раствора используется смесь NaS₂·5H₂O и этиленгликоль. В процессе анодной вулканизации соединение атомов серы с висячими связями на поверхности устройства закрывает проводимые каналы на поверхности [11], уменьшает поверхностную рекомбинацию и ослабляет поверхностную плотность заряда. Затем на поверхности получается плотный и однородный слой элементарной серы. Далее поверхность серного слоя покрывается слоем SiO₂ толщиной 200 нм. Гейтовый электрод размещается на слое SiO₂. Напряжение насыщения гейта снижается по мере уменьшения плотности заряда на границе.

В данном исследовании анодно-вулканизированные LWIR-детекторы P⁺–π–M–N⁺ с низким напряжением насыщения гейта изготавливались на основе InAs/GaSb T2SL с разными легированными π-областями. Результаты показывают, что не чем выше концентрация легирования, тем больше улучшение характеристик устройства. В частности, электрические и оптические характеристики могут быть ослаблены чрезмерной концентрацией легирования. Кроме того, анодная вулканизация позволяет значительно снизить гейтовое смещение до −10 В, что намного ниже сообщаемых ∼40 В для той же толщины пассивирующего слоя SiO₂ 200 нм в похожей структуре.

Методы

Материалы и структура

Материалы выращены системой MBE с твердым источником GEN 20 на 2-дюймовых n-типовых подложках GaSb (001). В данной работе высокопроизводительный LWIR-детектор основан на структуре P⁺–π–M–N⁺. Схема устройств, высокоразрешающие рентгеновские дифракционные картины (HRXRD) и атомно-силовая микроскопия (AFM) приведены на рис. 1 и 2. Рис. 1 показывает, что структура состоит из 1300-нм P⁺ GaSb буферного слоя, за которым следует 500-нм P⁺ область из 8-ML InAs/12-ML GaSb (Be: ~1 × 10¹⁸ см⁻³), 2000-нм слабо p-типовая π-область из 12-ML InAs (Be: 780 °C, 800 °C, 820 °C)/7-ML GaSb, 500-нм нелегированная M-область из 18-ML InAs/3-ML GaSb/5-ML AlSb/3-ML GaSb, 500-нм N⁺ область из 18-ML InAs/3-ML GaSb/5-ML AlSb/3-ML GaSb (Si: ~1 × 10¹⁸ см⁻³) и 30-нм N⁺ InAs шапочный слой. Также показана расчетная зональная схема. Учитывая, что производительность P⁺–π–M–N⁺ LWIR-детектора существенно зависит от легирования π-области, подготовлены три образца с разными температурами легирования Be от 780 до 820 °C.

Периоды сверхрешетки 59,3 Å, 58,4 Å и 89,5 Å для p-контакта, p-активной области и M-структуры соответственно, с несоответствием решетки 60 угл. сек, 0 угл. сек и 0 угл. сек, показаны на рис. 2. Половина ширины на полувысоте для сверхрешеток в каждой области составляет 32 угл. сек, 25 угл. сек и 12 угл. сек, что указывает на высокое качество интерфейсов материала.

Рис. 3 показывает атомные ступеньки со среднеквадратичной шероховатостью (RMS) 1,87 Å на площади 10 × 10 мкм.

Структура устройства и технология изготовления

Процесс аналогичен описанному в [12]. Сначала подложка покрывается SiO₂ в качестве жесткой маски. Затем применяются стандартные литографические этапы. Далее жесткая маска открывается системой индуктивно связанной плазмы (ICP). Затем меза получается с помощью ICP с газовой смесью CH₄/Cl₂/Ar. Конкретно, подложки травятся от верхнего слоя до P⁺ контакта [12]. После этого оставшийся слой SiO₂ удаляется. Затем один край подложки погружается в смесь сульфида натрия и этиленгликоль, и к подложке прикладывается постоянный ток с установленным пороговым напряжением. На поверхности пленки формируется слой атомов серы, и сопротивление меняется. Напряжение на подложке постепенно увеличивается до достижения порогового напряжения, после чего вулканизация завершается. Затем элементарный серный слой покрывается слоем SiO₂ толщиной 200 нм. Кроме того, фотолитография выполняется снова для открытия окон через слой SiO₂ и элементарную серу как области металлических контактов верхних и нижних электродов. Дополнительно проводится фотолитография с двумя формами электродов: одна для гейтового диода (GD), другая — для негейтового (UGD). Ti (50 нм)/Pt (50 нм)/Au (300 нм) осаждаются электронно-лучевым методом для металлических электродов. Наконец, верхний, нижний и гейтовый электроды получают методом лифт-офф.

Рис. 4 иллюстрирует структуру GD. Известно, что угол наклона при травлении можно регулировать, меняя мощность ICP, RF-мощность, расход газа и давление в камере. В данном исследовании фактический угол наклона боковой стенки составляет 80–85°, что облегчает осаждение гейтового контакта на боковой стенке. Гейтовый электрод размещается на боковой стенке слоя SiO₂.

Рис. 5 показывает, что половина диодов осаждается как GD в трех кристаллах (легирование Be 780 °C, 800 °C и 820 °C). Таким образом, получаются и гейтовые (GD), и негейтовые (UGD) диоды. В итоге получаются образец A (780 °C GD), B (780 °C UGD), C (800 °C GD), D (800 °C UGD), E (820 °C GD) и F (820 °C UGD).

Результаты и обсуждение

В инфракрасных детекторах удельная обнаруживаемость (D*) обычно используется для характеристики производительности, вычисляется по уравнению (2).

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

где q — элементарный заряд; K — постоянная Больцмана; T — температура в Кельвинах; Ri — чувствительность инфракрасного детектора; J — плотность темнового тока при определенном смещении; RA — произведение сопротивления и площади кристалла. J и RA характеризуют электрические характеристики. Ri можно преобразовать в QE формулой:

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

где \(h\) — постоянная Планка, \(C\) — скорость света, q — элементарный заряд, \(\lambda\) — конкретная длина волны, QE и Ri характеризуют оптические характеристики. Рис. 6 показывает оптические характеристики образцов с разными уровнями легирования π-области при 77 К. Все образцы имеют похожие 50%-ную длину волны среза 8 мкм и 100%-ную — 10 мкм при 77 К. Хотя QE и чувствительность могут быть увеличены изменением типа проводимости π-области на p-тип, не чем выше температура легирования, тем выше QE и чувствительность. Однако QE и чувствительность значительно снижаются с увеличением концентрации легирования. Для T2SL температура легирования во время роста критична для концентрации. Чем выше температура, тем выше концентрация. QE при 780 °C достигает максимума 62,4%, что в 1,5 раза больше, чем QE при 820 °C. Это связано с тем, что слишком много примесей вводится при увеличении концентрации легирования, что приводит к уменьшению времени жизни неравновесных носителей/диффузионной длины и снижению QE и чувствительности [6]. Они также вызывают спектральный красный сдвиг на рис. 6а. Рис. 6а и б показывают, что 780 °C — лучшая температура легирования для оптической характеристики, с пиковой чувствительностью 2,26 А/Вт при 5 мкм и пиковой QE 62,4%.

Рис. 7 показывает электрические характеристики UGD образцов с разными уровнями легирования π-области при 77 К. Электрические характеристики сильно зависят от концентрации легирования π-области [7]. С увеличением уровня легирования π-области произведение RA при определенном смещении становится меньше, а плотность темнового тока — больше. Аналогично [6], RA достигает максимума около 0 В с мягким пробоем при увеличении обратного смещения, что указывает на туннельный механизм темнового тока. Достигнут максимум RA 1259,4 Ом·см² при легировании Be 780 °C при −200 мВ, что почти в 40 раз больше, чем при 820 °C. Рис. 7б показывает, что плотность темнового тока похожа в отрицательном смещении в диапазоне −0,1–0 В, и при 780 °C она немного меньше. Темновой ток составляет 4,9 × 10⁻³ А/см² для устройства с Be 780 °C при −70 мВ.

Соответствующий D* можно рассчитать, используя конкретные значения Ri, J и RA при разных смещениях при 77 К. Рис. 8 показывает обнаруживаемость UGD образцов с разными π-областями. При −30 мВ пиковая обнаруживаемость составляет 5,6 × 10¹⁰ см·Гц¹ᐟ²/Вт при 5 мкм для Be 780 °C, в то время как для Be 820 °C — 3,8 × 10¹⁰ см·Гц¹ᐟ²/Вт. Пиковая обнаруживаемость при 780 °C в 1,5 раза выше, чем при 820 °C. Следовательно, 적절한 концентрация легирования крайне значима. Однако слишком высокая концентрация ухудшает характеристики.

Рис. 9 показывает электрические характеристики GD образца с Be 780 °C при 77 К. В отличие от обычных гейтово-управляемых устройств, в данном исследовании впервые применяется анодная вулканизация для значительного снижения напряжения насыщения гейта. Используется смесь NaS₂·5H₂O и этиленгликоль. Метод анодной пассивации вулканизацией позволяет получить плотный и однородный слой элементарной серы на поверхности. В электрохимической реакции атомы серы соединяются с висячими связями на поверхности, закрывая электронные каналы, созданные висячими связями, и изолируя поверхностный механизм рекомбинации электронов и дырочек [11]. Затем поверхность серного слоя покрывается защитным слоем SiO₂ толщиной 200 нм, а гейтовый электрод размещается на боковой стенке SiO₂. Как сообщалось ранее, корреляция между напряжением насыщения и толщиной диэлектрического слоя почти линейна. Рис. 9 показывает, что напряжение насыщения может быть снижено до ∼−10 В простой и эффективной вулканизацией; в других исследованиях это значение составляет ∼40 В и в четыре раза больше для устройств похожей структуры с тем же слоем SiO₂ [10]. Кроме того, RA достигает максимума 25 Ом·см² около 0 В. Нисходящий тренд значительно замедляется при приложении отрицательного смещения ∼−10 В. При смещении −10 В на гейте RA составляет 10 Ом·см² при −0,3 В, что в 40 раз больше, чем без смещения. При −0,6 В это почти на два порядка ниже. Рис. 9б показывает, что темновой ток достигает минимума 2 × 10⁻⁴ А/см² около 0 В и уменьшается на порядок при −0,3 В. Известно, что ВАХ не меняется с гейтовым смещением при 0 В для положительного смещения. Более того, RA значительно увеличивается при изменении смещения от 0 до −10 В, тогда как темновой ток уменьшается. При изменении от −10 до −20 В RA слегка уменьшается, а темновой ток увеличивается. При высоком обратном смещении (например, −1 В) между верхним и нижним электродами темновой ток уменьшается с гейтовым смещением, а затем слегка увеличивается после −12 В. Это связано с гейтовой характеристикой. Для низкого обратного смещения (например, −0,1 В) темновой ток, кажется, увеличивается с ростом гейтового смещения, что принципиально отличается от случая −1 В. Для разных обратных смещений предполагается, что основной механизм утечки разный. Для низкого обратного смещения высокое гейтовое смещение показывает негативное влияние, влияя на поверхностное рассеяние электронов и горячих электронов. Для высокого обратного смещения утечка уменьшается за счет снижения поверхностного тока утечки. Поэтому это отличается.

Как показано на рис. 10, при высоком обратном смещении (например, −1 В) темновой ток уменьшается с гейтовым смещением, а затем слегка увеличивается после −12 В; видно, что устройство существует в трех стадиях при изменении смещения при 77 К [10]. Согласно [13], P⁺ и N⁺ области для структуры P⁺–π–M–N⁺ сильно легированы, а M-область — более широкая зона с большей эффективной массой по сравнению с π и P⁺; поэтому гейтовое смещение влияет на π-область гораздо сильнее. Используя схожий метод с Ченом [10], проанализированы три стадии при приложении высокого отрицательного гейтового смещения (−20 до −10 В); результаты показывают, что боковая стенка мезы находится в состоянии выпрямления или накопления [8], и плотность темнового тока слегка увеличивается с гейтовым смещением из-за вулканизированного интерфейса. Подозревается, что незначительная неоднородность плотности вулканизированного интерфейса приводит к локальному пробою. При приложении отрицательного смещения (−10 до −2 В) боковая стенка переходит в вы épuisление, и темновой ток плавно увеличивается. Кроме того, ширина вы épuisления, индуцированная полем, достигает максимума, и формируется инверсионный слой при приложении смещения −2 В до положительного гейтового смещения; таким образом, плотность темнового тока остается постоянной. Согласно [14], объясняется, почему поверхностный ток генерации-рекомбинации (G–R) при −0,5 В больше, чем при −0,3 В.

Рис. 11 показывает, что при гейтовом смещении −10 В D* для GD образца с Be 780 °C достигает пиковой обнаруживаемости 1,3 × 10¹¹ см·Гц¹ᐟ²/Вт при 5 мкм, что более чем в два раза больше, чем без смещения при 780 °C, и более чем в три раза больше, чем без смещения при 820 °C при 77 К. Это указывает на то, что приложение соответствующего отрицательного смещения может значительно улучшить характеристики устройства.

Заключение

В 2017 г. Северо-Западный университет сообщил о LWIR nBn фотодетекторах на основе сверхрешеток типа-II InAs/InAs₁₋ₓSbₓ. Устройство демонстрировало длину волны среза ∼10 мкм при 77 К с пиковой чувствительностью 2,65 А/Вт, соответствующей QE 43% и RA 664 Ом·см² и плотностью темнового тока 8 × 10⁵ А/см² под смещением 80 мВ при 77 К; фотодетектор демонстрировал удельную обнаруживаемость 4,72 × 10¹¹ см·Гц¹ᐟ²/Вт [5]. Пиковая обнаруживаемость данного устройства составляет 1,3 × 10¹¹ см·Гц¹ᐟ²/Вт при 5 мкм и 0 В с гейтовым смещением −10 В, что сравнимо с nBN устройством. Но слабое место — однородность RA устройства, влияющая на характеристики.

Подводя итог, принудительное приведение активной области к p-типу через легирование π-области может эффективно улучшить характеристики LWIR детектора P⁺–π–M–N⁺ на сверхрешетке InAs/GaSb [6]. Однако не чем выше концентрация легирования, тем больше улучшение. В частности, электрические и оптические характеристики могут быть снижены чрезмерной концентрацией. Оптическая характеристика при 77 К показывает максимум QE 62,4% при 4,26 мкм и максимум чувствительности 2,26 А/Вт при 5 мкм для Be 780 °C. Электрическая характеристика показывает максимум RA 1259,4 Ом·см² для Be 780 °C. Удельная обнаруживаемость достигает максимума 5,6 × 10¹⁰ см·Гц¹ᐟ²/Вт при 5 мкм для Be 780 °C. Кроме того, напряжение насыщения может быть драматически снижено через простую и эффективную анодную вулканизацию. Вулканизация демонстрирует потенциал снижения гейтового напряжения. Электрическая характеристика показывает, что напряжение насыщения составляет всего −10 В, тогда как в других исследованиях без вулканизации — 40 В в похожей структуре с той же толщиной SiO₂. Более того, характеристики устройства могут быть значительно улучшены приложением соответствующего отрицательного смещения на гейте. Максимум 1,3 × 10¹¹ см·Гц¹ᐟ²/Вт достигнут при 5 мкм и 0 В с гейтовым смещением −10 В для Be 780 °C при 77 К. Ограниченные экспериментальным оборудованием и условиями, мы выбрали SiO₂ как диэлектрический слой, но в дальнейшем планируется использовать высокок диэлектрики. Теоретически гейтовое напряжение может быть снижено еще больше.

Доступность данных и материалов

Авторы заявляют, что материалы и данные доступны читателям без необоснованных условий соглашений о передаче материалов. Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту статью.

Аббревиатуры

LWIR:

Детекторы дальнего инфракрасного диапазона

QE:

Квантовая эффективность

T2SLs:

Сверхрешетки типа-II с деформированными слоями

VLWIR:

Детекторы очень дальнего инфракрасного диапазона

MWIR:

Детекторы среднего инфракрасного диапазона

HRXRD:

Высокоразрешающая рентгеновская дифракция

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

ICP:

Индуктивно связанная плазма

GD:

Гейтовый диод

UGD:

Негейтовый диод

D*:

Удельная обнаруживаемость

RA:

Произведение сопротивления и площади кристалла

Ri:

Чувствительность инфракрасного детектора

G–R:

Генерация-рекомбинация