InSb單元及線列器件I-V特性失效分析

史夢(mèng)然,史夢(mèng)思

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

銻化銦(InSb)是一種閃鋅礦結(jié)構(gòu)的III-V族化合物半導(dǎo)體材料,在77 K條件下,InSb的禁帶寬度為0.227 eV,這種材料能夠吸收易于透過(guò)大氣的3～5 μm中波紅外光,因此廣泛應(yīng)用于中波紅外探測(cè)器的研制。

InSb單元或線列光伏紅外器件是一個(gè)光電二極管或多個(gè)并聯(lián)的光電二極管。因此,其相應(yīng)的光電特性描述符合經(jīng)典的半導(dǎo)體理論。但是由于InSb紅外器件制造工藝的特點(diǎn),制造出的InSb器件光電參數(shù)往往會(huì)偏離理想設(shè)計(jì)參數(shù)。為此,我們必須對(duì)實(shí)際工藝制造出的器件性能進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤[1-2]。

2 InSb光電二極管

InSb紅外光電器件是一種典型的半導(dǎo)體光電二極管器件。在無(wú)光照時(shí),其I-V特性與一般的二極管相同。有光照時(shí),I-V特性曲線發(fā)生位移,如圖1(a)所示。在光照條件下,光電二極管上流過(guò)的總電流有三部分:1)光電二極管的光生電流；2)理想的二極管電流；3)表面漏電流。

I總=-IL+ID+GS·V

圖1 光電二極管的電流

其中,光電二極管的PN結(jié)受光照時(shí)引起的光生電流為IL,其方向由N區(qū)指向P區(qū),如圖1(b)所示。理想的二極管電流是光電二極管外加偏壓為V時(shí),小注入引起的PN結(jié)擴(kuò)散電流ID。ID與理想的PN結(jié)反向飽和電流有關(guān),其方向由P區(qū)流向N區(qū),與光生電流方向相反。表面漏電流與器件表面漏電導(dǎo)GS有關(guān),由器件實(shí)際制造工藝決定,與表面鈍化效果或表面預(yù)處理的方法或器件制備完成后的表面清洗效果等均有關(guān)[3-4]。

3 InSb器件I-V特性測(cè)試

在實(shí)際測(cè)量中,電流即可以使用配有基本源表的半導(dǎo)體參數(shù)分析儀測(cè)量得到,如HP4155、HP4156等,也可以使用普通的低阻電流表直接測(cè)量。在器件中測(cè)時(shí),我們關(guān)注的測(cè)量值是InSb器件的直流特性參數(shù),我們可以從背景輻射(300 K)的伏安特性曲線里直接讀出反向飽和電流IO、短路光電流IS和開(kāi)路電壓VOC。根據(jù)不同型號(hào)的探測(cè)器的性能要求,觀測(cè)開(kāi)路電壓(Voc)或是短路電流(Is)。除此之外,我們也可以借助阻抗曲線對(duì)器件的直流特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文只討論一種直觀的簡(jiǎn)易的定性評(píng)判方法。一般情況下,反向平直,反向工作電壓區(qū)間越大越好,但實(shí)際測(cè)量中滿足零偏電流2倍處的偏壓滿足器件的反偏工作電壓范圍即可。除了評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),合理選取y軸的量程,即電流的量程和掃描電壓的范圍,對(duì)于直觀判斷器件I-V測(cè)試曲線是否合格至關(guān)重要。

如果InSb單元和線列器件I-V曲線正常,應(yīng)當(dāng)符合圖2所示的I-V曲線的形狀。正向特性基本垂直橫軸,但略微傾斜,即正向特性與橫軸正方向夾角趨近90°。正向特性及拐角處與結(jié)特性及電學(xué)接觸好壞有關(guān)。反向特性應(yīng)保持水平。反向特性影響紅外探測(cè)器的信號(hào)大小,對(duì)于需要在加偏壓工作的探測(cè)器,影響會(huì)更明顯。反向特性與芯片表面狀態(tài)、鈍化效果、光敏面尺寸、結(jié)深大小都有關(guān)。

圖2 合格的InSb器件I-V特性曲線

4 InSb器件I-V失效分析

如圖3所示,雖然此I-V曲線正向正常,但反向存在60～100 mV左右的工作區(qū)間,由于反向過(guò)早,判定為不合格器件。此種現(xiàn)象在不合格的I-V測(cè)試中,所占比例較大。如果測(cè)試過(guò)程中無(wú)冷光源照射,此種現(xiàn)象主要是由于器件表面漏電嚴(yán)重造成的。這種現(xiàn)象主要與鈍化層的鈍化效果、鈍化層與InSb的界面狀態(tài)、鈍化前表面預(yù)處理及器件內(nèi)水分和可動(dòng)離子殘留情況有很大關(guān)系[5-7]。

圖3 不合格I-V曲線1

如圖4此種現(xiàn)象表面漏電比圖3所示情況更為嚴(yán)重。主要是由于更為嚴(yán)重的表面漏電形成的表面電場(chǎng)已經(jīng)可以明顯地影響到結(jié)區(qū),使得原有空間電荷區(qū)變窄,使得少子注入明顯變大,導(dǎo)致反偏更早。此種現(xiàn)象可認(rèn)為是介于表面漏電與擊穿之間的一種狀態(tài)。

圖4 不合格I-V曲線2

此外對(duì)于表面漏電的具體原因,可以采用如下方法判定。I-V測(cè)試時(shí)關(guān)閉測(cè)試場(chǎng)所的日光燈,開(kāi)冷光源進(jìn)行光照,如果觀測(cè)到光電流變大,這是由于光生載流子變多,同時(shí)也使得器件表面漏電變得更加嚴(yán)重,說(shuō)明此時(shí)器件本身對(duì)光照敏感。這主要是由于鈍化層一側(cè)的陷阱中心由于受光照激發(fā),把俘獲的少子釋放出來(lái)了[8]。

如果開(kāi)冷光源后,電流出現(xiàn)變小的現(xiàn)象。這種I-V特性由漏變?yōu)椴宦┑默F(xiàn)象,主要是此時(shí)半導(dǎo)體一側(cè)禁帶內(nèi)有大量復(fù)合中心被激活,應(yīng)該是深能級(jí)雜質(zhì)造成的,使得少子減少,壽命變短[9]。如果芯片的表面預(yù)處理工藝不變,這種情況就應(yīng)該區(qū)檢驗(yàn)體材料是否合格。

圖5 不合格I-V曲線3

如圖5所示此曲線反向在0～400 mV范圍內(nèi)較平直,但是正向拐角處存在問(wèn)題,彎曲度較大,正向特性不合格,判定為I-V曲線異常。此種現(xiàn)象說(shuō)明結(jié)有問(wèn)題。第一種可能性是擴(kuò)散成結(jié)或注入成結(jié)的結(jié)特性不好,是制備的結(jié)本身不好。第二種情況是對(duì)于臺(tái)面器件成結(jié)后,主要是后續(xù)臺(tái)面鈍化工藝的離子轟擊損傷到結(jié)區(qū),此現(xiàn)象不會(huì)單片出現(xiàn),如果發(fā)生會(huì)成批次出現(xiàn),易判斷。

圖6 不合格I-V曲線4

如圖6所示此曲線的正向特性比較傾斜,正向特性不合格,判定為I-V曲線異常。此種現(xiàn)象主要是電極接觸不好,影響到接觸電阻和動(dòng)態(tài)電阻R0A。在日常測(cè)試中,此種情況出現(xiàn),可能是由于地端的探針沒(méi)有扎好,需要重新調(diào)試,如果地扎得沒(méi)問(wèn)題,才可認(rèn)定為I-V曲線異常。

圖7 不合格I-V曲線5

如圖7所示此曲線在第四象限有微小震蕩,出現(xiàn)“負(fù)阻”現(xiàn)象。反偏從第四象限就開(kāi)始傾斜。此現(xiàn)象不是紅外光電二極管的正常工作的I-V曲線,判定為異常。此現(xiàn)象為隧道擊穿。

圖8 不合格I-V曲線6

如圖8所示此曲線反向出現(xiàn)在第一象限,并出現(xiàn)明顯地向上翹曲,還出現(xiàn)了比圖7所示情況更要顯著地震蕩。“負(fù)阻”現(xiàn)象更明顯,并且反偏過(guò)原點(diǎn)。圖7和圖8情況的原因都是隧道效應(yīng)。主要是由于器件局部摻雜不均勻,導(dǎo)致結(jié)區(qū)局部出現(xiàn)重?fù)诫s[10-11]。此時(shí)的器件已不是光電PN結(jié),而是隧道結(jié)。

圖9 不合格I-V曲線7

如圖9所示此I-V曲線反向出現(xiàn)在第一象限,并且反向在第一象限保持平直,然后反向變彎曲,并經(jīng)過(guò)原點(diǎn)。因MBE外延生長(zhǎng)的InSb,在鈍化與半導(dǎo)體材料間有明顯的二維電子氣。界面狀態(tài)符合量子物理的分布。如果能帶計(jì)算不準(zhǔn)確,誤差大,會(huì)造成器件失效。此現(xiàn)象容易出現(xiàn)在InSb基外延或超晶格的器件中。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述對(duì)各種InSb單元及線列器件的I-V失效分析,可把常見(jiàn)失效從電學(xué)性能角度分為漏電和擊穿。漏電因器件表面狀態(tài)或近表面的缺陷和雜質(zhì)種類的不同有所區(qū)別。通過(guò)區(qū)分漏電原因可以有效跟蹤前道工藝中出現(xiàn)的問(wèn)題,甚至可以反映體材料制備中某一參數(shù)是否出現(xiàn)異常。擊穿也可分為雪崩擊穿和隧道擊穿,最常見(jiàn)的擊穿現(xiàn)象是光電二極管變成了一個(gè)電阻,表現(xiàn)為直通特性。隧道擊穿則表現(xiàn)為“負(fù)阻”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象更易出現(xiàn)在外延器件和新型InSb器件中。

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