Ⅱ類超晶格紅外探測器技術(shù)概述(二)

尚林濤,王 靜,邢偉榮,劉 銘,申 晨,周 朋,趙建忠

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

Sb基應(yīng)力層超晶格(SLS)尤其是Ⅱ類超晶格(T2SL)材料在探測器、激光器、調(diào)制器上具有廣泛的應(yīng)用,尤其在紅外探測領(lǐng)域具有極大的潛力和優(yōu)勢,普遍認(rèn)為可以替代目前主流的HgCdTe(MCT)材料。相比MCT材料技術(shù)約60年的漫長積累和發(fā)展,二類超晶格技術(shù)從20世紀(jì)70年代末提出至今約40年仍在持續(xù)快速發(fā)展。

目前,世界主要的研究機(jī)構(gòu)如德國、美國西北大學(xué)量子器件中心(CQD)、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、NRL、瑞典(IRnova)、以色列SCD和日本等很多機(jī)構(gòu)報(bào)道了T2SL材料、器件和焦平面陣列(FPA)的研究進(jìn)展,國內(nèi)也積極開展了全面的研究。本文簡要?dú)w納總結(jié)了T2SL材料的生長、器件制備方法以及最近新型T2SL材料體系的演化。

2 T2SL材料及器件

2.1 T2SL材料生長制備及表征

6.1?系Sb基T2SL材料一般采用MBE進(jìn)行生長(如圖1)。MBE具有精確的生長溫度監(jiān)控、自動(dòng)化精準(zhǔn)的快門開關(guān)控制、長時(shí)間穩(wěn)定的束流輸出,依據(jù)材料固態(tài)表面動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)生長原理,可以在超高真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)層-層原子級精度的精確控制,并且原位在線摻雜,可生長出各種簡單的或具有復(fù)雜突變異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)的材料。由于MBE生長技術(shù)相對復(fù)雜,用于批量生產(chǎn)的成本也相對較高,有人提出采用MOCVD進(jìn)行生長。MOCVD易于維護(hù),靈活的源和反應(yīng)器配置,易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[1-2]。美國西北大學(xué)CQD已經(jīng)展示了MOCVD生長的LWIR Sb基T2SL材料和器件[3],Huang[4]等也采用復(fù)雜的InAsSb+InGaSb界面成功用MOCVD在GaSb上生長了InAs/GaSb T2SL,并通過簡化應(yīng)力在2inch InAs襯底上獲得了高性能MWIR InAs/GaSb T2SL二極管。然而MOCVD生長Sb基材料相對緩慢,原因是低的平衡氣壓以及缺乏穩(wěn)定的Sb的氫化物,InSb型界面在高溫生長中容易退化。

圖1 MBE設(shè)備及生長原理

一般使用GaSb襯底,也可以使用InAs或GaAs襯底以降低成本。通過RHEED觀察GaSb表面(2×5)→(2×3)的重構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)來精確校正生長溫度,光學(xué)顯微鏡、XRD、AFM、SEM、TEM、PL、I-V和C-V等對材料晶體質(zhì)量和器件的光電性能進(jìn)行表征。

2.2 T2SL器件制備

生長的超晶格材料然后經(jīng)過光刻、刻蝕、鈍化、電極等工藝加工成一定尺寸的單元二極管和FPA(如圖2)。電子光刻進(jìn)行器件邊墻和接觸電極定義,使用干濕法工藝對器件進(jìn)行刻蝕。完全去除刻蝕殘留并沉積Ti/Au形成底部和頂部金屬電極接觸。ICP干法刻蝕結(jié)合化學(xué)濕法刻蝕可獲得良好的垂直光滑邊墻結(jié)構(gòu)以及較高的器件平臺(tái)表面占空比。

圖2 SL材料器件工藝流程

制備小像元大面陣FPA需要開發(fā)高質(zhì)量的鈍化工藝以去除表面泄露電流的影響。工藝污染、天然氧化層(尤其是In2O3)、干濕法工藝中形成的邊墻表面粗糙和刻蝕殘余物會(huì)造成臺(tái)面器件表面泄露電流,并且隨器件波長增大而更嚴(yán)重。源于周期性晶體結(jié)構(gòu)在表面突然終止,形成殘余未飽和懸掛鍵,在帶隙中形成陷阱能級,增加陷阱輔助隧穿暗電流。需去除天然氧化層并沉積絕緣材料以終止懸掛鍵并保護(hù)表面[5]。高質(zhì)量、低界面缺陷密度的介電鈍化層通過固定電荷修正材料表面Fermi級以降低表面泄露電流進(jìn)而改進(jìn)器件性能。鈍化前需要仔細(xì)清除表面刻蝕殘余物。常用的表面鈍化方法有硫基、SiO2、Si3N4和Y2O3[6]介電鈍化、外延重生長AlGaAsSb、原子層沉積(ALE)Al2O3[7]等多鈍化方法,也有通過在臺(tái)面邊墻施加?xùn)牌珘篬8]或采用梯度摻雜緩沖層結(jié)合淺刻蝕臺(tái)面工藝[9]來降低表面泄露電流。

器件進(jìn)行倒裝互連和底部填膠以增強(qiáng)器件機(jī)械穩(wěn)定性,襯底背部研磨減薄到30～40 μm[10]后再進(jìn)行拋光。即使具有低吸收系數(shù)的N型GaSb襯底在77 K下也會(huì)吸收約50 %的紅外光,導(dǎo)致QE下降,因此需要去襯底,并且解決了與ROIC間熱膨脹差問題,由于InAsSb刻蝕阻擋層也會(huì)吸收1.8 μm以下紅外光,CQD提出了晶格匹配于GaSb襯底的AlAsSb/GaSb超晶格刻蝕阻擋層[1]來去除InAsSb層。

3 新型超晶格材料體系

3.1 無Ga的InAs/InAsSb T2SL

盡管沒有InAs/Ga(In)Sb SL研究的多,InAs/InAsSb/InSb SL的研究具有較長的歷史并先于InAs/Ga(In)Sb SLS探測器。1982年Osbourn發(fā)表了晶格失配應(yīng)力層SL(SLS)材料的開創(chuàng)工作并提出使用InAsSb SLS用于LWIR探測。受其影響,1987年Smith和Mailhiot提出應(yīng)力Ⅱ類InAs/GaInSb超晶格紅外探測。2000年以后的十年里,InAs/GaSb SL發(fā)展很快,但I(xiàn)nAsSb SLS的發(fā)展處于停滯狀態(tài)。2009年,Simon Fraser發(fā)表了InAs/InAsSb SLS的生長和光學(xué)表征,重新出現(xiàn)GaSb基InAsSb的研究熱潮。

最初的nBn器件基于InAs基體InAs吸收層或GaSb基體InAs0.91Sb0.09吸收層材料,截止波長分別為～3.2 μm和～4 μm[11],雖然工作溫度比InSb高,但光譜響應(yīng)不能完全覆蓋3～5.5 μm的MWIR大氣窗口。也有基于InAs/GaSb Ⅱ類超晶格吸收層的nBn探測器[12]。截止波長大于5 μm可以使用InAs/GaSb T2SL實(shí)現(xiàn),也可以使用單極性勢壘器件結(jié)構(gòu),這激發(fā)了開發(fā)5 μm以上nBn結(jié)構(gòu)的探測器。由于沒有使用Ga,簡化了材料生長。剛開始僅使用InAsSb,然后使用InAs、InAsSb和InSb的組合。在2008～2010年間,檢測了很多基于InAs、InAsSb和InSb組合的吸收層,包括體InAsSb、嵌于InAsSb矩陣中的InSb量子點(diǎn)層、InSb/InAsSb超晶格、InSb/InAs超晶格,最后在2010年成功地選用了InAs/InAsSb超晶格(圖3)。

圖3 InAs/InAsSb SL發(fā)展衍變圖

近些年InAs/InAsSb SLS探測器和FPA也有大量的研究工作,JPL在這一領(lǐng)域很活躍。2012年美國亞利桑那州立大學(xué)發(fā)表了基于nBn器件設(shè)計(jì)13.2 μm的InAs/InAsSb SLS LWIR光電探測器的結(jié)果[13]。西北大學(xué)進(jìn)一步推動(dòng)了InAs/InAsSb SLS的多樣性,報(bào)道了LWIR,VLWIR,偏壓可選擇的雙帶MW/LW以及Si基MWIR。美國芝加哥伊利諾斯州大學(xué)的Ciani[14]研究了InAs1-xSbx基T2SL的分子動(dòng)力學(xué)生長模型；波蘭Vigo軍事科技大學(xué)展示了9.8 μm(210K)GaAs基 HOT LWIR二極管[15],D*=2.0×1010Jones；英國的蘭卡斯特展示了Si基MWIR探測器,法國Montpellier和Grenoble團(tuán)隊(duì)[16]研究制備了XBn結(jié)構(gòu)MWIR二極管和Si基MWIR勢壘結(jié)構(gòu)的MBE生長,QE達(dá)80 %,工作溫度135～140 K,光電性能可比于InSb同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的工作溫度。Teledyne的Kim[17]也報(bào)道了帶有電子勢壘的HOT MWIR單元器件,室溫和TEC制冷溫度下性能靠近傳統(tǒng)的MCT。國內(nèi)也有報(bào)道生長于GaSb基的MWIR探測器[18]。最近報(bào)道的MWIR和LWIR InAs/InAsSb T2SLS用MBE或MOCVD進(jìn)行生長,使用的襯底有GaSb,包括(211)A和B以及(311)A和B、GaAs、Si、Ge-Si等[19]。

通過控制InAs和InAsSb層厚度的比例來獲得應(yīng)力平衡,InAsSb層具有相對高的Sb分量,比InAs層更具壓應(yīng)力；由于InAs和InAsSb T2SL之間相對小的導(dǎo)帶偏差,截止波長調(diào)節(jié)范圍有限(MWIR-VLWIR)(4～14 μm),尤其在LWIR和VLWIR具有更弱的光學(xué)吸收和有挑戰(zhàn)性的垂直空穴輸運(yùn)。而傳統(tǒng)的InAs/GaSb T2SL相對晶格匹配于GaSb襯底,應(yīng)力平衡通過精細(xì)調(diào)節(jié)界面獲得；獨(dú)立的調(diào)節(jié)導(dǎo)帶和價(jià)帶邊具有更寬的截止波長范圍(SWIR～VLWIR)；在LWIR范圍相同截止波長下具有更短的周期,更好振蕩長度和吸收長度,沿生長方向空穴的有效質(zhì)量更小,具有光學(xué)和空穴輸運(yùn)屬性優(yōu)勢。

相比InAs/GaSb T2SL其優(yōu)點(diǎn)包括更容易生長(兩快門vs四快門),更好的缺陷容忍性及強(qiáng)健的材料,發(fā)展較快。更長的少子壽命(SRH壽命約為～10 μs,而MWIR InAs/GaSb的少子壽命為80 ns),而且受益于nBn結(jié)構(gòu),耗盡暗電流降低,具有更高的工作溫度。InAs/GaSb 和 InAs/InAsSb 均展示了良好的探測器和FPA。兩者的選擇依賴于截止波長、生長和加工能力,相比InAs/GaSb,InAs/InAsSb T2SLS屬性整體比較適合MWIR[19-21]。

3.2 含Ga的InGaAs/InAsSb T2SL

InGaAs/GaAsSb量子阱Ⅱ類帶交錯(cuò)排列,電子和空穴空間分隔,具有低的暗電流和俄歇復(fù)合抑制優(yōu)勢,可使用6inch InP襯底,具有良好的均勻性并適合批量生產(chǎn)。相比InAs/InAsSb SLS,InGaAs/InAsSb三元超晶格具有三個(gè)主要優(yōu)勢:①引入Ga到InAs中具有更大的應(yīng)力補(bǔ)償支持,可以設(shè)計(jì)更薄的SLS；相同擴(kuò)散長度下,同樣QE為87 %的5 μm厚0 % Ga SL吸收層對20 % Ga的SL僅需3.4 μm,可以顯著降低MBE生長時(shí)間。②增加的電子-空穴波函數(shù)重疊具有增強(qiáng)的吸收系數(shù)。③空穴有效質(zhì)量降低改進(jìn)了空穴垂直遷移率。而且使用具有生長優(yōu)勢的nBn結(jié)構(gòu)可以達(dá)到非常低的暗電流。

美國空軍實(shí)驗(yàn)室研究了InGaAs/InAsSb SLSs的MWIR探測器和FPAs的生長和表征,使用20 %的Ga制備了320×256@30 μm In0.8Ga0.2As/InAs0.65Sb0.35SLS FPA(圖4(a))。最佳工作溫度為120K,NEDT<20 mK,具有更長的積分時(shí)間,80K可操作性96 %,指示了HOT MWIR工作的前景[22]。日本制備了2.35 μm 的InGaAs/GaAsSb Ⅱ類PIN型光電二極管(圖4(b)),使用環(huán)氧樹脂對FPA的彌散光進(jìn)行抑制,制備了320×256@30 μm T2SL FPA[23-24],通過了10000次熱循環(huán)可靠性測試,證實(shí)了InGaAs/GaAsSb T2SL FPA具有商業(yè)應(yīng)用前景。拓展波長到2.5 μm,獲得250K下暗電流7.4×10-6A/cm2,好于210 K以上的MCT,FPA可操作性99.9 %,響應(yīng)均勻性可比于InGaAs,在SWIR上可以替代MCT。

圖4 320×256@30 μm InGaAs/GaAsSb T2SL FPA

此外,由于T2SLs材料靈活的能帶和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),還會(huì)出現(xiàn)InAs/GaAsSb或其他Sb基二元/二元、二元/三元或三元/三元化合物組合的超晶格材料及伴隨的器件,具體的選擇應(yīng)當(dāng)結(jié)合器件的性能根據(jù)實(shí)際需求及工藝實(shí)現(xiàn)的難易程度綜合選擇。

4 結(jié) 論

本文簡要?dú)w納總結(jié)了紅外探測Ⅱ類超晶格材料的生長和器件制備方法；T2SL理論和工藝技術(shù)正在不斷取得進(jìn)步和完善并呈現(xiàn)出材料體系多樣化和更高的性能。雖然目前及今后較長時(shí)間MCT FPA技術(shù)仍將是市場的主流,但是T2SL技術(shù)在整體系統(tǒng)性能和成本上可以挑戰(zhàn)MCT,T2SL技術(shù)將在紅外應(yīng)用領(lǐng)域全方位替代MCT技術(shù)的優(yōu)勢已經(jīng)越來越清晰。