不同鈍化膜對InSb光伏探測器性能影響研究

龔曉霞，肖婷婷，楊瑞宇，黎秉哲，尚發(fā)蘭，孫祥樂，趙宇鵬，陳冬瓊，楊文運

〈材料與器件〉

不同鈍化膜對InSb光伏探測器性能影響研究

龔曉霞，肖婷婷，楊瑞宇，黎秉哲，尚發(fā)蘭，孫祥樂，趙宇鵬，陳冬瓊，楊文運

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

采用3種不同鈍化膜制備InSb探測器，測試不同周長/面積比二極管芯片的-特性曲線，通過對偏置電壓為－0.1V時的暗電流密度進行比較，分析了表面漏電流對InSb探測器性能的影響。實驗結(jié)果表明SiO2＋SiN復(fù)合膜能大幅度降低器件表面暗電流，-測試結(jié)果也表明復(fù)合鈍化膜能大幅度降低了界面固定電荷。將復(fù)合鈍化膜應(yīng)用到128×128 15mm InSb焦平面探測器上，探測器芯片優(yōu)值因子0≥5×104W·cm2，較之前（0≈5×103W·cm2）得到了極大改善。

鈍化膜；InSb探測器；暗電流；固定電荷

0 引言

InSb光伏探測器主要用于探測3～5mm波段目標輻射，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)InSb材料制備技術(shù)及芯片工藝均已取得了長足的進步，芯片結(jié)構(gòu)涵蓋了單元、多元、線列及焦平面各種規(guī)格，并大量裝備于各種武器系統(tǒng)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛及應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化，武器系統(tǒng)對探測器的性能也提出了更高的要求[1]，紅外探測器芯片是探測器組件的核心部件，芯片性能的優(yōu)劣與材料缺陷、鈍化前表面處理、鈍化技術(shù)及工藝損傷密切相關(guān)。

InSb表面/界面處存在由于晶體缺陷或吸附原子等引起的表面/界面態(tài)，表面/界面態(tài)可以增加表面復(fù)合率，形成陷阱，嚴重影響面陣探測器的性能。InSb表面/界面的狀態(tài)與表面處理和鈍化技術(shù)密切相關(guān)[2-4]。隨著InSb紅外焦平面陣列的發(fā)展，越來越多的學者致力于InSb表面/界面態(tài)的研究。Hopkins F. K.和Boyd J. T.等人通過改變InSb光伏型紅外探測器偏壓以及改變探測器工作溫度，分別測出探測器暗電流隨偏壓與溫度的變化關(guān)系，得出InSb光伏型探測器暗電流深受界面陷阱影響的結(jié)論[5]。Nott G. J.、Findlay P. C.、Crowder J. G.等人通過光學、電學實驗方法確定了InSb光伏探測器樣品中界面陷阱密度分布[6]。國內(nèi)很多學者也對InSb探測器表面/界面狀態(tài)對探測器性能進行了大量研究，采用陽極氧化、脫水、氧化處理等手段，一定程度上改善了InSb探測器性能[7-9]。然而，針對鈍化膜引入固定電荷導(dǎo)致表面漏電流增大的研究較少，本文基于對不同鈍化膜、不同/比的二極管器件-性能進行測試分析，闡明了表面漏電機制，通過對不同鈍化膜的效果進行評價，解決了鈍化膜引入固定電荷引起表面漏電流增大的問題，為實際生產(chǎn)及研發(fā)提供一定的參考。

1 原理

一般來說，探測器的暗電流分為體內(nèi)漏電流和表面漏電流，其中體內(nèi)漏電流的大小正比于探測器光敏元面積，表面漏電流正比于探測器光敏元的周長。InSb光伏探測器性能由于較小的禁帶寬度而通常受到表面漏電的限制，與表面漏電現(xiàn)象相關(guān)的表面和界面狀態(tài)在很大程度上影響甚至決定器件的性能。

圖1所示為InSb探測器剖面圖，其結(jié)構(gòu)為p-on-n平面型探測器，采用離子注入的方法制備而成，由于pn結(jié)埋藏于材料內(nèi)，鈍化難度較臺面結(jié)探測器小，表面漏電流主要來源為上表面與鈍化膜之間的表面漏電。鈍化是InSb探測器的重要工藝，其鈍化效果直接影響著探測器的表面漏電。通過測試不同周長/面積比（/）二極管的漏電大小，分析表面漏電的影響，能夠有效獲取鈍化膜的鈍化效果，改善探測器性能，為科研及生產(chǎn)提供參考。

圖1 InSb探測器剖面及表面漏電流示意圖

2 實驗

2.1 樣品準備

實驗樣品為平面型p-on-n型InSb光伏探測器，InSb材料選用提拉法生長的InSb單晶，In面為器件制備面，載流子濃度為(5×1014～1×1015)/cm3，遷移率大于1×1015cm2/V·S，材料位錯密度小于20個/cm2；材料經(jīng)磨拋處理后，采用40℃乳酸溶液加溫腐蝕10min，去除磨拋帶來的機械損傷；離子注入掩膜選用高溫生長的SiN，厚度約為7000?；材料經(jīng)Be+離子注入成結(jié)后，通過光刻、鈍化、刻蝕、金屬化等芯片工藝制備成探測器芯片。

2.2 實驗設(shè)計

實驗選用同一錠條的N型InSb單晶片，In面拋光，選用3個樣品，編號為1、2、3。InSb材料經(jīng)離子注入成結(jié)后，采用PECVD（plasma enhanced chemical vapor deposition）對InSb探測器芯片進行表面鈍化，經(jīng)金屬電極制備及電極成型后，測試芯片的特性曲線。設(shè)計生長3種不同鈍化膜：樣品1選用SiO2鈍化膜（鈍化膜1）、樣品2選用SiN鈍化膜（鈍化膜2）、樣品3選用SiO2＋SiN復(fù)合鈍化膜（鈍化膜3）。3個樣品鈍化膜生長溫度均為250℃，經(jīng)同一批次芯片工藝制備成同樣的測試結(jié)構(gòu)。具體的實驗設(shè)計情況如表1所示，3個樣品選用的測試結(jié)構(gòu)是一系列不同注入尺寸的正方形光敏元，注入?yún)^(qū)光敏元面積從大到小依次為500mm×500mm、375mm×375mm、300mm×300mm、150mm×150mm、50mm×50mm，對應(yīng)面積/周長比（/）分別為80、106.6、133.3、266.6、800。選用3片未經(jīng)注入的N型襯底制備MIS（metal -insulator-semiconductor）結(jié)構(gòu)（金屬-絕緣層-半導(dǎo)體），樣品編號為4、5、6。樣品4生長鈍化膜1，樣品5生長鈍化膜2，樣品6生長鈍化膜3，與樣品1、2、3同時生長鈍化膜，制備成MIS結(jié)構(gòu)后，通過測試InSb MIS結(jié)構(gòu)的-特性來評價不同鈍化膜的電學性能。

表1 生長了不同鈍化膜的3種光電二級管樣品的注入尺寸設(shè)計

3 實驗結(jié)果分析

3.1 I-V測試結(jié)果分析

將-測試芯片載入低溫探針臺系統(tǒng)，加入液氮，溫度穩(wěn)定至77K后，利用KEYSIGHT B1500A半導(dǎo)體測試分析儀對不同周長/面積比的光電二極管器件進行-測試，測試結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，樣品1的特性曲線最差，大面積二極管在－0.75V時反向漏電流大幅增加，相較其他兩個樣品，反向擊穿較快；樣品2的特性曲線較樣品1稍有改善，反向漏電流在－1.25V附近開始增加；樣品3的特性曲線明顯優(yōu)于樣品1和樣品2，除了面積為250000mm2的二極管，其余光電二極管均表現(xiàn)出較好的反向特性，在－2V時未見明顯擊穿，表明選用SiO2＋SiN復(fù)合鈍化膜的樣品暗電流最低，探測器反向特性得到較大改善。

圖2 不同結(jié)面積、不同鈍化膜系I-V曲線圖

提取偏置電壓為－0.1V時的暗電流密度進行比較，暗電流密度隨/的變化如圖3所示，從圖中可知，不同鈍化膜樣品暗電流密度大小表現(xiàn)出明顯區(qū)別，樣品1的暗電流密度最高，樣品2的暗電流密度稍低，均隨/的增大而增加，樣品3的暗電流密度最小，隨/的增大基本不變。一般來說，探測器的暗電流分為體內(nèi)漏電流與表面漏電流，其中體內(nèi)漏電流的大小正比于光敏元面積，表面漏電流正比于探測器光敏元的周長。探測器光敏元面積為，探測器光敏元的周長為，則探測器光敏元暗電流密度可以表示為[10]：

＝B＋S(/) (1)

式中：B指體內(nèi)漏電流密度；S指表面漏電流密度。

從圖3可知，隨著/的增加，樣品3的暗電流密度基本不變，樣品1和樣品2在/＝80時（結(jié)面積250000mm2）均表現(xiàn)出暗電流密度較大，從/＝106開始，暗電流密度隨/比的增加逐漸增加。根據(jù)公式(1)，對3個樣品－0.1V時的暗電流密度進行了線性擬合，并分別計算了3個樣品表面漏電流在總暗電流的占比（S/）情況，擬合結(jié)果見表2，S/隨/的變化見圖4。

圖3 暗電流密度（@－0.1V）隨P/A變化關(guān)系曲線

從表2可知，樣品3的表面漏電流密度遠小于樣品1及樣品2。從圖4可知，樣品1與樣品2S/隨/增加而大幅增加，樣品3S/隨/增加基本不變，當/＝800（結(jié)面積為2500mm2）時，樣品1表面漏電流占總電流比例（S/）為65%，樣品2為50%，樣品3為2%，表明小結(jié)區(qū)面積p-n結(jié)二極管更容易受表面漏電流影響。綜合以上分析，可知使用SiO2＋SiN復(fù)合鈍化膜制備探測器可大幅度降低探測器表面漏電流，使器件反向特性得到了極大改善。

表2 表面漏電流密度線性擬合結(jié)果

樣品1和樣品2在/＝80（結(jié)面積250000mm2）時暗電流密度較大，從圖4可知，當/＝80時，樣品1與樣品2表面漏電流所占總暗電流比例為10%、5%，可知此時決定暗電流大小的主要為體內(nèi)漏電流。InSb探測器的體內(nèi)漏電流包括擴散電流，產(chǎn)生-復(fù)合電流和隧道電流等?？臻g電荷區(qū)的雜質(zhì)和缺陷可以充當Shockley-Read型產(chǎn)生-復(fù)合中心，形成產(chǎn)生-復(fù)合電流，同時也有助于陷阱輔助隧道電流（間接隧道電流）的產(chǎn)生，引起器件暗電流增加。如果所選用的InSb樣品材料體缺陷密度較大（主要為位錯與腐蝕坑），對于大結(jié)區(qū)面積p-n結(jié)二極管，材料體缺陷密度越大，其結(jié)區(qū)包含缺陷的幾率增加，所含缺陷的數(shù)量也相應(yīng)增多，結(jié)區(qū)內(nèi)的缺陷在帶隙中引入大量產(chǎn)生-復(fù)合中心，降低少子壽命，形成產(chǎn)生-復(fù)合電流與陷阱輔助隧道電流，增大了器件暗電流。因此，材料體缺陷也將導(dǎo)致暗電流增大，性能下降。

圖4 IS/I（@－0.1V）隨P/A變化關(guān)系曲線

3.2 C-V測試結(jié)果分析

利用KEYSIGHT B1500A半導(dǎo)體測試分析儀測試MIS結(jié)構(gòu)的-曲線，測試頻率為100kHz，測試所加電壓為－40～40V。樣品4、5、6號的-測試結(jié)果如圖5所示，樣品4（生長SiO2）的FB＝－23V，DFB＝20V。樣品5（生長SiN）的FB＝－20V，DFB＝8V。樣品6（生長SiO2＋SiN）的FB＝－11V，DFB＝7V。3個樣品平帶電壓均為負值，表明3種絕緣層與半導(dǎo)體界面均存在正電荷，引起半導(dǎo)體表面層中能帶向下彎曲，要恢復(fù)平帶情況，必須在金屬與半導(dǎo)體之間加以負電壓。

圖5 不同絕緣層MIS結(jié)構(gòu)的C-V曲線

樣品4的平帶電壓為－23V，表明界面處存在較高密度極性為正的固定電荷，樣品6的平帶電壓最小，表明SiO2＋SiN復(fù)合膜引入的固定電荷較少，界面固定電荷與界面態(tài)將形成與表面漏電相關(guān)的暗電流，進而對器件性能產(chǎn)生影響。以N型InSb為例，當界面存在極性為正的固定電荷時，InSb表面出現(xiàn)多子堆積導(dǎo)致靠近表面的p-n結(jié)耗盡層變窄，引起隧道電流增大。而平帶電壓漂移范圍與界面陷阱電荷存在密切關(guān)系[10-11]，3個樣品的平帶電壓偏移范圍差距較大應(yīng)與表面預(yù)處理引起的慢界面態(tài)有關(guān)，后續(xù)將進一步開展實驗摸索。

3.3 InSb焦平面測試結(jié)果

將SiO2＋SiN鈍化膜應(yīng)用到128×128、15mm InSb焦平面探測器的制備上，測試其-特性曲線，如圖6所示。結(jié)果表明：反向偏壓為－0.05V時，芯片暗電流為100pA，零偏壓阻抗0≥25GΩ，探測器芯片優(yōu)值因子0≥5×104W·cm2，反向偏壓為－1V時，反向漏電增加不超過100pA，表明使用SiO2＋SiN復(fù)合鈍化膜能獲得較優(yōu)的芯片性能。

圖6 焦平面單點I-V測試曲線

4 結(jié)論

本文通過對不同周長/面積比、不同鈍化條件的InSb探測器芯片-曲線進行了測試分析，同時測試了MIS結(jié)構(gòu)的-曲線。-測試結(jié)果表明：采用SiO2鈍化膜的芯片表面漏電流密度為7.23×10－9A/cm2，采用SiN鈍化膜的芯片表面漏電流密度為：6.03×10－9A/cm2，采用SiO2＋SiN復(fù)合鈍化膜的芯片表面漏電流密度為：1.65×10－11A/cm2。-測試結(jié)果表明復(fù)合鈍化膜大幅度降低了界面固定電荷，將復(fù)合鈍化膜應(yīng)用于制備128×128、15mm的InSb焦平面探測器芯片，芯片優(yōu)值因子0≥5×104W·cm2，芯片性能得到了極大改善。

[1] 牟宏山. InSb紅外焦平面探測器現(xiàn)狀與進展[J]. 激光與紅外, 2016, 46(4): 394-399.

MU Hongshan. Status and progress of InSb IRFPA detector[J]., 2016, 46(4): 394-399.

[2] 傅月秋, 王海珍, 鄭克霖. InSb焦平面探測器背面鈍化的研究[J]. 航空兵器, 2009(4): 42-44．

FU Yueqiu, WANG Haizhen, ZHENG Kelin. Study of backside passivation in InSb focal plane detector[J]., 2009(4): 42-44.

[3] 陳曉冬, 楊翠, 劉鵬, 等. 界面陷阱對InSb光伏型紅外探測器穩(wěn)態(tài)特性的影響[J]. 紅外與毫米波學報, 2018, 37(2): 192-199.

CHEN Xiaodong, YANG Cui, LIU Peng, et al. The influence of interface traps on the performance of a photovoltaic InSb infrared detector[J]., 2018, 37(2): 192-199.

[4] Joseph Boisvert, Takahiro Isshiki, Rengarajan S, et al. Performance of very low dark current SWIR PIN arrays[C]//, 2008, 6940: 69400L-1.

[5] Hopkins F K, Boyd J T. Dark current analysis of InSb photodiodes[J]., 1984, 24(4): 391-395.

[6] Nott G J, Findlay P C, Crowder J G, et al. Direct determination of Shockley-Read-Hall trap density in InSb/InAlSb detectors[J].:, 2000, 12(50): L731-L734.

[7] 余黎靜, 李延?xùn)|, 信思樹, 等. InSb陽極氧化膜界面特性研究[J].紅外技術(shù), 2012, 34(4): 191-195.

YU Lijing, LI Yandong, XIN Sishu, et al. Interface properties of anodized InSb[J]., 2012, 34(4): 191-195.

[8] 亢喆, 曹海娜, 邱國臣, 等. 銻化銦紅外焦平面器件鈍化前脫水工藝研究[J]. 電子器件, 2019, 42(3): 563-568.

KANG Zhe, CAO Haina, QIU Guochen, et al. Study of dehydration techniques for InSb IRFPA detector[J]., 2019, 42(3): 563-568.

[9] 張國棟, 孫維國. 含氧等離子體對低溫CVD沉積SiO2鈍化性能的改善[J]. 固體電子學研究與進展, 2004, 24(4): 543-548.

ZHANG Guodong, SUN Weiguo. Improvement of performance of SiO2prepared by LTCVD after plasma treatment with oxygen atoms[J]., 2004, 24(4): 543-548.

[10] 劉恩科, 朱秉升, 羅晉生, 等. 半導(dǎo)體物理學[M]. 4版: 北京: 國防工業(yè)出版社, 2007.

LIU Enke, ZHU Bingsheng, LUO Jinsheng, et al.[M]. 4th edition: Beijing: National Defense Industry Press, 2007.

[11] 肖鈺, 史夢然, 寧瑋, 等. 表面預(yù)處理對InSb鈍化層界面的影響[J]. 激光與紅外, 2014, 44(8): 902-905.

XIAO Yu, SHI Mengran, NING Wei, et al. Effect of pretreatment on interface between the passivation layer and InSb substrate[J]., 2014, 44(8): 902-905.

Influence of Different Passivation Films on the Performance of InSb Photovoltaic Detector

GONG Xiaoxia，XIAO Tingting，YANG Ruiyu，LI Bingzhe，SHANG Falan，SUN Xiangle，ZHAO Yupeng，CHEN Dongqiong，YANG Wenyun

(,650223,)

Three different passivation films were used to prepare InSb detectors for testing the current –voltage(-) characteristic curves of chips with different perimeter–area ratios. The influence of surface leakage current on the performance of an InSb detector was analyzed by comparing the dark-current density at a bias voltage of ?0.1V. The test results indicated that SiO2+SiNpassivation could significantly reduce the surface dark current. The capacitance–voltage(-) test results also demonstrated that the composite passivation film could significantly reduce the interface fixed charge. A composite passivation-film process was applied for the preparation of a 128′128 15-mm InSb focal plane detector. The optimal value factor of the detector chip was0≥5′104W·cm2, which was much higher than that before the test (0≈5×103W·cm2).

passivation film, InSb detector, dark current, fixed charge

TN215，TN304.12

A

1001-8891(2020)10-0953-05

2020-07-27；

2020-08-25.

龔曉霞（1984-），女，碩士，高級工程師，主要從事Ⅲ-Ⅴ族紅外探測器研究。E-mail：641592956@qq.com。

楊文運，（1966-），男，研究員，主要從事紅外探測器研究。