非本征硅阻挡杂质带（BIB）红外探测器因其超宽光谱、极低暗电流、高量子效率、超大规模阵列等优势成为甚长波红外（> 14 μm）天文观测、深空探测的核心元器件。BIB探测器结构由高浓度掺杂的吸收层和本征阻挡层组成，近平衡态外延高温诱导掺杂元素扩散，将致使吸收层和阻挡层之间过渡层展宽，非连续杂质局域态缺陷将引入产生-复合暗电流。因此，如何实现理想过渡界面和揭示界面影响成为亟待解决的问题之一。
据麦姆斯咨询报道，中国科学院上海技术物理研究所王鹏青年研究员和胡伟达研究员的研究团队基于分子束外延（MBE）生长动力学提出一种温度调控掺杂界面构筑方法，利用Si和Ga原子热敏感性差异，并通过抑制腔体记忆效应和表面迟滞效应，实现Si:Ga掺杂浓度10¹⁴-10¹⁸ cm⁻³可调可控，且掺杂界面小于百纳米尺度。
相关研究成果以“Sharp Interface Blocked Impurity Band Very Long-Wavelength Infrared Photodetector With High-Temperature Epitaxy”为题，发表在IEEE Electron Device Letters期刊上。中国科学院上海技术物理研究所博士郭家祥、张涛为本文共同第一作者。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等项目支持。
在MBE生长阻挡杂质带结构中需确定三个关键因素：低温（LT）沉积、高温（HT）解吸以及吸收层和阻挡层之间的扩散。图1(a)中的 (I) and (II) 表明，在较低的衬底温度下，更多的蒸发原子被吸附，而具有较低粘附系数的原子在较高的衬底温度下首先解吸。在高掺杂浓度吸收层之后，本征阻挡层开始生长。如图1(a) (III) 所示，需要考虑吸收层和阻挡层之间的扩散。衬底温度和延长生长时间会导致更宽的浓度梯度界面。
图1 （a）MBE动态生长过程示意图；（b）Ga蒸发到衬底表面的速率和利用率；（c）不同衬底温度下的Ga原子粘滞系数；（d）不同Ga晶胞温度下的Ga浓度曲线。
图2(a) 展示了Ga晶胞快门关闭后不同衬底温度下的浓度变化。控制Ga的低粘附系数对于阻挡层外延生长过程中的界面调制至关重要。图2(b)显示了通过粘附系数调节实现的带有界面层的BIB结构。
图2 （a）不同衬底温度下的浓度变化；（b）实现了尖锐的界面BIB结构；（c）退火前后的Ga浓度分布曲线；（d）TCAD对平衡状态下不同界面层宽度电场分布的定性模拟结果。
图3（a）显示了利用高分辨率X射线衍射（HR-XRD）分析对厚度为13 μm的外延生长BIB结构进行表征和测试的结果。图3（b）显示了BIB结构界面层区域沿[011]区轴线的高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像和选区电子衍射图（SADP）。分析结果证实了晶片的高质量单晶特性。图3（c）展示了浓度、迁移率和温度之间的关系，范围从10 K到300 K。
图3 （a）(400) 平面的HR-XRD摇振曲线；（b）吸收层薄膜IL中的HR-TEM图像；（c）浓度和迁移率随温度变化的曲线；（d）吸收系数随温度变化的曲线。
图4 （a）BIB光电探测器示意图；（b）不同温度下的I-V曲线；（c）不同温度下的检测率；（d）BIB的光谱响应。
这项研究澄清了Ga原子负温度黏附系数并计算得到表观活化能为2.25 eV，研究了耗尽区稳态电场分布与界面宽度关系，揭示尖端界面电场的存在，陡峭界面将有效提高吸收层耗尽区宽度和电场强度，极大抑制产生-复合暗电流。基于该方法制备的窄界面BIB红外探测器，实现探测波长达20 μm，暗电流低至pA量级水平。这项研究为推动我国甚长波红外材料与器件自主可控和空间暗弱目标探测能力发展奠定重要基础。
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3388634
