上海技物所在平面型延伸波长InGaAs探测器方面取得进展

MEMS 2022-10-15 00:00

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所李雪和龚海梅研究员团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了题为“截止波长2.2µm的平面型延伸波长InGaAs探测器”的最新论文，该团队采用闭管扩散的方法成功研制了截止波长2.2μm的平面型延伸波长InGaAs探测器芯片，并对其相关性能进行了研究。本研究成果对后续进一步优化平面型延伸波长InGaAs焦平面探测器有重要的指导意义。

地球观测、多光谱和高光谱成像等应用领域，需要具有1.0～2.5μm光谱响应的短波红外探测器，这些涉及国计民生的重要应用是推动响应波长范围1.0～2.5μm的延伸波长InxGa1-xAs（0.53

根据成结方式的不同，InGaAs探测器可分为台面型器件和平面型器件。台面型器件因PN结截面裸露在外，对器件钝化工艺提出很高要求；平面型器件的PN结处在材料内部，降低了器件钝化难度，因此器件暗电流低、可靠性高，且器件占空比接近100%，被常规波长的InGaAs探测器广泛采用。相比于常规波长的InGaAs材料，高In组分的InxGa1-xAs（0.53＜x＜1）外延层同衬底之间存在较大的晶格失配，材料内部存在较多的位错、缺陷，杂质元素可能会沿缺陷快速扩散，扩散机制更为复杂，结深较难精确控制，因而延伸波长平面型器件的研制面临更大困难。目前，国外延伸波长的InxGa1-xAs平面型结构探测器已经较为成熟：Epitaxx公司、UTC航空航天系统公司、Sensor Unlimited公司等报道了不同截止波长的平面型线列和面阵延伸波长InxGa1-xAs探测器，规模范围为256×1、512×1、1024×1至320×256，像素中心距为25μm到12.5μm。普林斯顿红外技术公司（Princeton Infrared Technologies）最近也展示了一款平面型中心距12μm的百万像素In0.66Ga0.34As/InAs0.25P0.75焦平面。国内延伸波长InxGa1-xAs平面型探测器的研究仍处于探索阶段。

基于此，本文采用闭管扩散技术，在分子束外延法（MBE）技术生长的NIN结构的高In组分InGaAs外延材料上制备了平面型延伸波长InGaAs探测器，展示了通过扩散成结法精确控制延伸波长器件的可行性，并对其相关性能进行了表征和研究，为延伸波长InGaAs器件的新工艺途径提供参考。

器件制备

采用分子束外延法生长的NIN型In0.75Al0.25As/In0.75Ga0.25As外延材料，在厚度350μm的InP衬底上依次生长了n⁺InxAl1-xAs线性渐变缓冲层（x：0.52→0.74，Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸cm⁻³）、n⁻In0.75Ga0.25As吸收层（Si掺杂浓度约3×10¹⁶cm⁻³）、n⁻In0.75Al0.25As帽层（Si掺杂浓度约3×10¹⁶cm⁻³），材料结构和器件结构示意图如图1所示。

图1 平面型InGaAs器件的剖面示意图

采用氮化硅作扩散掩膜、Zn3As2粉末作为掺杂元素进行扩散掺杂，扩散条件为：500℃、10min；继而进行450℃、10min热激活处理；接着，采用ICP刻蚀N槽，生长SiNx钝化膜，开P、N孔，生长P、N接触电极。最终制备了7×1元测试结构器件，如图2所示。

图2 7×1 元线列器件照片

器件测试结果

PN结的结深是影响器件性能的关键参数，理想的PN结为掺杂后的In0.75Al0.25As帽层P型区界面顶端刚好到达In0.75Ga0.25As吸收层。In0.75Al0.25As/In0.75Ga0.25As异质结构扩散后的横截面扫描电容显微技术（SCM）测试结果如图3所示，由SCM测得p-n结深度为1.09μm。

图3 SCM测得外延层的p-n结深

暗电流的温度依赖性是探测器的一个关键参数，通过Agilent B1500A半导体器件分析仪进行了探测器变温下的暗电流的测量。在测试中，将器件密封在杜瓦中，采用液氮致冷，并用Laker Shore控温仪进行温度控制。图4为In0.75Ga0.25As器件7×1线列中30×30μm光敏元在150～300K范围的暗电流密度特性曲线。在−10mV偏压下，器件300K和150K暗电流密度分别为1.1×10⁻⁴A/cm²和0.69×10⁻⁹A/cm²，相应的优值因子R0A分别为99.8Ω·cm²和1.94×10⁷Ω·cm²，暗电流密度随着温度每25～30℃下降一个数量级。

图4 变温I-V特性曲线

实测的响应光谱随温度的变化曲线如图5所示，随着温度的降低，器件的截止波长向短波方向移动。在150K和300K温度下，峰值响应50%的长波截止波长分别为2.12μm和2.27μm。

图5 器件响应光谱及其温度特性

结论

研制了平面型延伸波长的测试结构短波红外InGaAs探测器，测试并分析了探测器在不同温度下的光电性能。在260～300K的温度范围内，提取的Ea为0.50eV，这与In0.75Ga0.25As的相应带隙（Eg）非常接近，说明平面型器件PN结侧面漏电流已得到有效抑制，实现了扩散电流占主导的状态；随着温度的降低，器件逐渐变为以产生复合电流主导的状态。150K下器件响应截止波长为2.12μm，峰值探测率为1.01×10¹²cm·Hz^1/2/W，峰值响应率为1.29A/W，量子效率为82%，并显示出良好的暗电流性能。后续进一步优化材料生长参数，降低缺陷密度，预期器件性能将进一步提高，并在2.2μm大面阵焦平面器件研制中推广应用。

本研究项目获得了上海市优秀学术/技术带头人计划资助、中国科学院重点部署项目、中国科学院联合基金、上海市科技重大专项、国家自然科学基金的支持。

延伸阅读：

《光谱成像市场和趋势-2022版》

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》

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