InGaAs納米線雪崩焦平面探測器發(fā)展研究

張 偉，徐 強，謝修敏，鄧 杰，覃文治，胡衛(wèi)英，陳 劍，宋海智,2*

(1.西南技術物理研究所，成都 610041；2.電子科技大學 基礎與前沿科學研究所，成都 610054)

引 言

與體材料和薄膜材料相比，納米線的1維結(jié)構(gòu)特征使其具有獨特的“光阱”效應，可以極大提高光的吸收率，制備出高探測效率的光電探測器，并實現(xiàn)器件的小型化[1-2]。同時，納米線具有很強的應力釋放能力，例如，異質(zhì)結(jié)納米線在側(cè)壁上由晶格失配產(chǎn)生的應力可以得到有效釋放，極大程度上克服晶格失配對外延生長的制約，可以將不同帶隙的材料沿納米線軸向串接起來形成“多節(jié)”結(jié)構(gòu)，從而制備出1維結(jié)構(gòu)的光電探測器，并實現(xiàn)吸收光譜的拓展[3-4]。這就為InGaAs等材料的Ⅲ-Ⅴ族納米線光電子器件的制備，及其與InP，GaAs以及傳統(tǒng)硅基材料的集成開辟了一條嶄新途徑。

近年來，得益于材料生長技術的提高，研究者們已成功制備出InGaAs納米線雪崩光電二極管(avalanche photon diode，APD)，并獲得了較好的光電響應性能。InGaAs納米線雪崩焦平面陣列制備的光電探測器，在寬光譜成像、弱光探測、空間遙感、激光雷達等領域擁有可觀的應用前景。本文中介紹了InGaAs納米線陣列雪崩焦平面探測器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。

1 應用背景

納米線雪崩光電探測器是通過2維材料生長制備，并具有吸收、電荷、倍增分離的器件結(jié)構(gòu)。銦鎵砷(InGaAs)是由銦、鎵、砷3種元素組成三元合金化合物，屬于Ⅲ-Ⅴ族半導體。InGaAs可以看成是由InAs和GaAs按照不同比例混合形成的，它的很多性質(zhì)介于InAs和GaAs這兩種材料之間。InGaAs具有可調(diào)的帶隙，在室溫下其帶隙可以覆蓋0.35eV～1.42eV，與之相對的波長覆蓋3.5μm～0.87μm，是一種直接帶隙半導體。圖1是InxGa1-xAs在77K下帶隙隨In的質(zhì)量分數(shù)變化的示意圖[1]。InGaAs納米線材料制作的雪崩焦平面探測器(如圖2[2]、圖3[2]和圖4[3]所示)具有高探測率、高靈敏度、強抗輻照，在室溫或低溫下工作性能穩(wěn)定、且加工成本低、工藝簡單等諸多優(yōu)點[2-3]，因此InGaAs納米線器件如同薄膜器件一樣，可用于激光探測、微光夜視系統(tǒng)、高光譜成像、精確制導、檢測、空間遙感、儀器儀表和航空安全等方面[3-6]。

圖1 InxGa1-xAs 77K下帶隙隨In的質(zhì)量分數(shù)變化示意圖[1]

圖2 InGaAs納米線雪崩焦平面的結(jié)構(gòu)圖[2]

圖3 InGaAs納米線每層生長后在掃描電子顯微鏡下的圖片[2]

圖4 a—InGaAs探測器的3維模型圖 b—InGaAs探測器在掃描電子顯微鏡下的圖片

2 技術現(xiàn)狀

1維半導體納米線由于自身具備前面所述的獨特性質(zhì)，非常適合用來制作光電探測器，今年來逐漸成為研究熱點。Ⅲ-Ⅴ半導體納米線光探測器的報道也逐漸增多，如GaAs,InAs,InAsP和InGaAs納米線探測器等。國外的主要研究單位有日本日立公司、美國加州大學戴維斯分校、美國加利福尼亞大學、荷蘭代爾夫特理工大學、南洋理工大學等[7-14]。1991年，日本日立公司的研究人員利用GaAs納米線P-N結(jié)陣列制備了第1個基于Ⅲ-Ⅴ族納米線的發(fā)光二極管，拉開了Ⅲ-Ⅴ族納米線光電子器件研究的序幕[10]。2008年，美國加州大學戴維斯分校、圣塔克魯斯分校和休利特帕卡德實驗室的研究人員合作制備了基于InP納米線的光導型探測器，其響應速度達到14ps[11]。2012年，瑞典隆德大學制備了基于InP納米線軸向P-I-N結(jié)陣列的太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率達到13.8%[12]。2012年，WALLENTIH等人報道的InAsSb納米線光電探測器的響應波長范圍0.9μm～2.3μm，并研究了不同直徑的納米線對光生電流的影響[13]。2014年，南洋理工大學DAI等人報道了核殼結(jié)構(gòu)的GaAs/AlGaAs納米線光電探測器，響應范圍300nm～890nm，探測率到達7.2×1010cm·Hz1/2/W[14]。2018年，加利福尼亞大學FARRELL等人成功制備出InGaAs/GaAs納米線雪崩焦平面探測器，其暗計數(shù)在77K時可低于10Hz[2]。

對于微觀尺度的光電InGaAs探測器，目前國內(nèi)的研究進行得較少。國內(nèi)研制InGaAs納米線光電探測器的主要單位有西南技術物理研究所、上海技術物理研究所、湖南大學、中國科學院北京半導體所等。2012年，LIU等人報道的采用化學氣相沉積法生長的InAs納米線室溫光探測器，響應范圍為300nm～1100nm，響應度和外量子效率分別為4.4×103A·W-1和1.03×106%[15]。2013年，REN等人采用離子置換的化學氣相沉積法方法生長全組分的InAsP合金納米線并制備近紅外光電探測器，發(fā)現(xiàn)InAs0.52P0.48納米線的響應度和外量子效率最高，分別為5.4×103A·W-1和3.96×105%[16]。2014年，F(xiàn)ABG等人制備InAs單根納米線場效應管并實現(xiàn)了寬譜快速探測[17]。2015年，TAN等人采用改進的一步生長化學氣相沉積法成功制備出了高質(zhì)量的InGaAs合金納米線[18]。但InGaAs納米線雪崩焦平面探測器在我國尚處于起步階段，與國外先進水平存在較大差距。

3 發(fā)展趨勢

國外納米線雪崩探測材料制備技術接近成熟，原型器件已經(jīng)實現(xiàn)，器件工藝正逐漸完善；國內(nèi)納米線有部分研究，尚未很好制備出納米線材料，雪崩器件工藝尚未開展。未來需要重點突破納米線雪崩焦平面APD結(jié)構(gòu)設計技術、納米線APD探測器材料精密生長技術、納米線陣列材料的界面與缺陷控制、納米線APD陣列器件制備工藝等技術，形成可行性高、可靠性好、可推廣性強的工藝技術方案，研制出系列化的納米線雪崩焦平面器件產(chǎn)品。具體而言，歸納為以下幾個方面。

3.1 納米線陣列雪崩焦平面APD結(jié)構(gòu)設計技術

結(jié)合傳統(tǒng)雪崩光電探測理論，研究納米線陣列的雪崩光電效應理論機理，構(gòu)建雪崩過程模擬算法，進行納米線陣列APD的仿真和分析。在充分考慮納米線陣列特殊能帶結(jié)構(gòu)的基礎上，研究其在雪崩探測中光吸收、載流子輸運及雪崩倍增機制，并自主進行雪崩過程的仿真、分析和設計方法研究，開發(fā)出包含大部分已知物理效應(包括光吸收、碰撞離化、產(chǎn)生復合、隧道穿透、陷阱效應等)和1維納米線特殊的物理效應(包括超高內(nèi)稟光電增益、多陣列限光效應和亞波長尺寸效應等)，可進行多種模型(包括蒙特卡羅法、自洽迭代法等)對比運算的雪崩設計程序，以完成納米線雪崩探測器材料結(jié)構(gòu)的完整設計。

3.2 納米線陣列APD探測器材料精密生長技術

開展InGaAs納米線雪崩焦平面材料外延生長工藝及優(yōu)化研究。通過對束流、生長溫度、Ⅲ-Ⅴ比等生長參量的調(diào)整，精確控制Ⅲ-Ⅴ族材料的摻雜濃度和組分，建立材料外延參量對物性影響的數(shù)據(jù)庫。研究納米線外延生長規(guī)律、生長工藝、金屬催化劑引入、界面生長動力學，克服催化劑在生長過程中出現(xiàn)固態(tài)和液態(tài)兩相并存的問題，降低孿晶和缺陷密度，通過調(diào)節(jié)溫度、壓力、生長速率等生長條件，引入生長中斷、交替供流等手段，精確控制生長速率，實現(xiàn)形貌統(tǒng)一、表面光滑、結(jié)晶度高、組分精確、高純度、低缺陷的納米線陣列材料外延生長。

3.3 納米線陣列材料的界面與缺陷控制、均勻性控制、表面修飾等工藝技術

為滿足高性能雪崩二極管對納米線陣列結(jié)構(gòu)的特殊要求，需要適當?shù)夭扇”砻驸g化、修飾摻雜、原子吸附、離子注入以及引入電子阻擋層等手段對納米線陣列進行改性調(diào)制。在納米線的側(cè)壁粘附金屬顆粒時，通過激發(fā)的表面等離子激元可以有效地提高納米線陣列的吸收率。在納米線陣列中引入合適尺寸的金屬納米顆粒后，通過不斷優(yōu)化納米線陣列與金屬顆粒的結(jié)構(gòu)參量，得到新型結(jié)構(gòu)的納米線陣列。研究在金屬顆粒溶液做催化劑作用下納米線材料的外延生長機制，研究催化劑對生長速率的影響；研究表面態(tài)的形成、演變及控制物理機理；研究不同缺陷類型以及缺陷密度與納米線材料的光學、電學性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系。

3.4 納米線APD陣列器件制備工藝技術

創(chuàng)新器件制備工藝，突破傳統(tǒng)技術方法，利用先進的微納加工和檢測手段，對芯片制造中的光刻、刻蝕、鈍化、互連等過程進行精準控制，開發(fā)復雜結(jié)構(gòu)和細微圖形的加工技術。采用光刻膠形貌控制工藝、干濕法結(jié)合、刻蝕鈍化交替技術，制備錐形亞波長陷光結(jié)構(gòu)、表面等離子體增強金屬光柵、以及光子晶體，研究其對納米線性能的提升作用，開發(fā)最優(yōu)化的表面陷光結(jié)構(gòu)。

通過厘清機制、建模仿真，并根據(jù)外延材料結(jié)構(gòu)參量與器件性能指標關系，找出關鍵因素，折中設計外延材料結(jié)構(gòu)。針對利用金屬有機化合物化學氣相沉淀或分子束外延的生長技術，對生長條件優(yōu)化進行有效反饋，并優(yōu)化其它生長參量(例如生長溫度、生長壓強等)，進而抑制非故意摻雜濃度、位錯、缺陷等形成，實現(xiàn)低缺陷外延材料生長。研究納米線APD碰撞離化機制、光電轉(zhuǎn)換機理、暗載流子、時間抖動、后脈沖產(chǎn)生的物理機制，分析影響單光子探測效率、暗計數(shù)率、時間抖動、后脈沖的關鍵因素，采取器件結(jié)構(gòu)設計、電場分布設計、低溫工作設計等合理的設計措施，有效提高單光子探測效率、抑制InGaAs納米線中暗載流子產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

綜上所述，InGaAs納米線雪崩焦平面探測器具有高探測率、高靈敏度、強抗輻照、工作性能穩(wěn)定、加工成本低、工藝簡單等諸多優(yōu)點，在激光探測、微光夜視系統(tǒng)、高光譜成像、精確制導、農(nóng)業(yè)檢測、空間遙感、儀器儀表等方面擁有廣泛的應用前景。國際上已經(jīng)有實驗室制備了InGaAs納米線雪崩焦平面探測器，但當前納米線雪崩焦平面探測器的高成本、低探測效率等缺點導致其距離商用化還有一定距離。展望未來，在納米線雪崩焦平面的結(jié)構(gòu)仿真設計、納米線陣列生長、納米線電極制備光子探測效率、低暗計數(shù)率、低后脈沖等關鍵技術方面進行優(yōu)化，發(fā)展出高光子探測效率、低噪聲、高增益InGaAs納米線雪崩焦平面的理論模型和工藝方案，將支撐系列化納米線雪崩焦平面探測器產(chǎn)品的快速發(fā)展。