1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器

本文报道了1280×1024元InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面阵列探测器的研究结果。探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用叠层双色结构和顺序读出方式。运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为中波1:6 ML InAs/7 ML GaSb和中波2:9 ML InAs/7 ML GaSb。焦平面阵列像元中心距为12μm。在80 K时测试,器件双波段的工作谱段为中波1:3~4μm,中波2:3.8~5.2μm。中波1器件平均峰值探测率达到6.32×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1),中波2器件平均峰值探测率达到2.84×10^(11) cm·Hz^(1/2)W^(-1)。红外焦平面偏压调节成像测试得到清晰的双波段成像。本文是国内首次报道1280×1024规模InAs/GaSb II类超晶格中/中波双色红外焦平面探测器。

12.5µm 1024×1024长波InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面探测器

报道了12.5µm的InAs/GaSb II类超晶格长波红外焦平面探测器。实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料。吸收区超晶格结构为15ML(InAs)/7ML(GaSb)。探测器采用PBπBN的双势垒结构以抑制长波探测器暗电流。研制了规模为1024×1024、像元中心距为18µm的长波焦平面探测器。采用金属杜瓦封装,与制冷机耦合形成超晶格长波探测器制冷组件。在60 K温度下测试了探测器各项性能。探测器50%截止波长为12.5µm,平均峰值探测率达到6.6×10^(10)cmHz^(1/2)/W,盲元率为1.05%,噪声等效温差NETD为21.2 mK。红外焦平面成像测试得到了清晰的长波图像。

GaSb单晶研究进展

近年来,锑化物红外技术发展迅速,成为半导体技术的重要发展方向之一。锑化镓(GaSb)作为典型的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,凭借优异的性能成为锑化物红外光电器件的关键衬底材料。随着锑化物红外技术逐步成熟和应用逐渐开展,人们对GaSb单晶片的需求日益剧增的同时也对其质量提出更高的要求。GaSb单晶片质量直接影响着外延材料和器件性能,这就要求GaSb单晶片具有大尺寸、更低的缺陷密度、更好的表面质量和一致性。本文就GaSb晶体材料的性质、制备方法、国内外机构的研究进展及其应用情况进行了综述,并对其发展前景和趋势进行了展望。

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料的Si离子注入研究

Ⅱ类超晶格红外探测器一般通过台面结实现对红外辐射的探测,而通过离子注入实现横向PN结,一方面材料外延工艺简单,同时可以利用超晶格材料横向扩散长度远高于纵向的优势改善光生载流子的输运,且易于制作高密度平面型阵列。本文利用多种材料表征技术,研究了不同能量的Si离子注入以及退火前后对InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料性能的影响。研究通过Si离子注入,外延材料由P型变为N型,超晶格材料中产生了垂直方向的拉伸应变,晶格常数变大,且失配度随着注入能量的增大而增大,注入前失配度为-0.012%,当注入能量到200 keV时,失配度达到0.072%,超晶格部分弛豫,弛豫程度为14%,而在300℃ 60 s退火后,超晶格恢复完全应变状态,且晶格常数变小,这种张应变是退火引起的Ga-In相互扩散以及Si替位导致的晶格收缩而造成的。

GaSb 衬底厚度对超晶格电学特性影响的研究

非故意掺杂的GaSb存在施主缺陷,呈现p型导电,导电性较好。对于分子束外延制备的Sb基超晶格材料,通常用GaSb做衬底,而GaSb衬底厚度远大于超晶格材料厚度,因此对锑基二类超晶格材料进行霍尔测试时GaSb衬底厚度对超晶格电学性能容易产生较大影响。而在红外探测器制备过程中,为了增加材料对红外辐射的吸收,通常在器件制备完成后对衬底进行减薄,通过背入射的方式对红外辐射进行探测,因此探究GaSb厚度对超晶格电学特性的影响能够为超晶格材料的结构设计提供理论依据。讨论了n型超晶格薄膜及p型超晶格薄膜的电学特性受GaSb衬底厚度的影响。使用由分子束外延技术在弱n型GaSb衬底上生长GaSb缓冲层后,分别生长Si掺杂的n型InAs/GaSbⅡ类超晶格及Be掺杂的p型InAs/GaSbⅡ类超晶格,衬底进行不同厚度的减薄,并进行霍尔测试。结果表明:在77 K温度下的霍尔测试中,虽然缓冲层减弱了衬底对超晶格薄膜的影响,但不能完全消除衬底对超晶格薄膜电学特性的影响。n型超晶格及p型超晶格的电学特性仍随衬底厚度变化产生:衬底厚度的减薄导致表面复合效应增加、杂质浓度重分布,因此超晶格材料载流子浓度的减小,载流子迁移率在相同的温度下受杂质散射影响较大,载流子浓度的减小降低了电子散射的可能性,因此迁移率随衬底厚度减薄而增加。n型超晶格载流子浓度及迁移率的变化均在同一量级,与缓冲层极性相反的薄膜材料减薄前的电学特性可以为减薄后的电学特性进行标定。p型超晶格载流子浓度变化相对较大,与缓冲层材料极性相同的材料在需要考虑载流子浓度时,材料生长过程中需要进行高浓度掺杂保证减薄后薄膜材料的载流子浓度,迁移率变化几乎可视为不变。该研究对标定不同类型掺杂浓度的超晶格材料可提供一定的参考意义。

Te掺杂的GaSb材料载流子特性研究

非故意掺杂的GaSb材料呈现p型导电,限制了GaSb材料在InAs/GaSb超晶格红外探测器等领域的应用。探究N型GaSb薄膜电学特性对估算超晶格载流子浓度以及制备超晶格衬底、缓冲层、电极接触层等提供了一定的理论依据。Te掺杂能够以抑制GaSb本征缺陷的方式实现N型GaSb薄膜的制备,利用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)技术,设置GaTe源温分别为420℃、450℃、480℃,分别在GaSb衬底与GaAs衬底上生长不同GaTe源温度下掺杂的GaSb薄膜,通过霍尔测试探究GaSb薄膜的电学特性。在77 K的霍尔测试中,发现在GaAs衬底上生长的GaSb薄膜均显示为N型半导体,载流子浓度随源温升高而增加。与非故意掺杂的GaSb相比,源温为420℃、450℃时由于载流子浓度增加而导致的杂质散射,迁移率大幅提高,且随温度升高而增加,但在480℃时,由于缺陷密度减小,迁移率大大减小。在GaSb衬底上生长7000ABe掺杂的GaSb缓冲层,再生长5000ATe掺杂的GaSb薄膜。结果发现,由于P型缓冲层的存在,当源温为420℃时,薄膜显示为P型半导体,空穴载流子的存在导致薄膜整体载流子浓度增加,且空穴和电子的补偿作用使迁移率大幅降低。源温为450℃、480℃时,薄膜仍为N型半导体,载流子浓度随温度增加,且为GaAs衬底上生长的GaSb薄膜载流子浓度的2~3倍;迁移率在450℃时最高,480℃时减小。设置GaTe源温为450℃时GaSb薄膜的载流子浓度较高且迁移率较高,参与超晶格材料的制备能够使整个材料的效果最佳。

热处理GaSb衬底对近距离升华法制备CdZnTe外延膜的影响

衬底的表面质量对生长膜层的质量有重要影响,衬底表面的粗糙度、均匀性、附着物残留及氧化层均是其表面质量的评价标准。本文报道了一种热处理方法,通过近距离升华设备原位去除GaSb(001)衬底上的氧化层后用于制备CdZnTe外延膜。通过控制热处理的温度和时间,获得洁净且平整的较优衬底状态。利用原子力显微镜和X射线光电子能谱表征了热处理对GaSb衬底形貌和成分的影响,采用双晶X射线摇摆曲线对经过热处理后的GaSb衬底上生长的CdZnTe外延膜的结晶质量进行了评价。为了深入研究这种异质界面附近微观缺陷的性质和外延形成机制,还对CdZnTe/GaSb截面进行了TEM分析研究。GaSb衬底在600℃经过180 s热处理后,可以去除衬底表面大部分氧化物且相对平整,提高了CdZnTe外延膜的结晶质量,在双晶X射线摇摆曲线中的半峰全宽为94″,接近已报道的块体CdZnTe晶体的结晶质量。

InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究综述

本文综述了InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺研究。从湿法和干法刻蚀的物理化学机理以及参数调控等方面进行分析,旨在阐明工艺条件对台面形貌的影响,以抑制带隙较窄的长波和甚长波超晶格表面漏电流。结果表明,湿法刻蚀中恰当的腐蚀液配比可以实现两种组分的均匀性刻蚀,而不会导致粗糙的表面和严重的下切;干法刻蚀中,采用Cl_(2)基和CH 4基混合气体,通过调整刻蚀气体类型及比例可实现物理和化学刻蚀两个过程的平衡,保证台面侧壁平滑性和倾角的垂直度。另外,对于不同组分的超晶格,需要选择不同的工艺参数才能满足InAs和GaSb的协同性刻蚀。最后对InAs/GaSb超晶格台面刻蚀工艺作出了展望。

镀碳膜对In掺杂GaSb晶体结构及性能的影响

针对GaSb晶体合成过程中Ga与Sb之间的不相容区域及较高的受主缺陷问题,基于垂直布里奇曼法,探讨了镀碳膜对GaSb晶体的影响,以及在镀碳膜后掺杂In对其物相组成、硬度、电阻率和热稳定性的影响。结果表明,镀碳膜能够有效隔绝原料与坩埚内壁的接触,从而提升晶体的结晶度。镀碳膜处理后,晶体的硬度从4.41 GPa下降至4.11 GPa,电阻率降至0.0198Ω·cm,同时热稳定性也得到了改善。在镀碳膜后进行In掺杂时,晶体的结晶度进一步显著提升,硬度从最低的4.11 GPa降至3.7 GPa,电阻率降至0.0019Ω·cm,热稳定性明显增强。研究结果为制备高性能的GaSb晶体提供了有效的方法。

GaAs基GaSb体材料及InAs/GaSb超晶格材料的MBE生长

采用分子束外延方法在GaAs（100）衬底上生长GaSb体材料,以此GaSb为缓冲层生长了不同InAs厚度的InAs/GaSb超晶格,其10K光致发光谱峰值波长在2.0~2.6μm.高分辨透射电子显微镜观察证实超晶格界面清晰,周期完整.

GaSb基的InAs/GaSbⅡ类超晶格背景载流子浓度的测量

高质量的InAs/GaSbⅡ类超晶格(SLs)材料生长在晶格匹配的GaSb衬底上,由于GaSb衬底具有良好的导电性,传统的霍尔测量难以直接得到外延超晶格材料的载流子浓度等电学参数,所以,如何准确地获得InAs/GaSb超晶格外延材料中的载流子浓度成为了研究人员关注的焦点之一。主要介绍了InAs/GaSbⅡ类超晶格背景载流子浓度测量的四种典型的方法:低温霍尔技术;变磁场霍尔技术以及迁移率谱拟合;衬底去除技术;电容-电压技术。并给出了各种方法的基本原理,评价了每种方法的优缺点。

2～3μmGaAs基InAs/GaSb超晶格材料

采用分子束外延方法在GaAs(100)衬底上生长GaSb体材料,以此GaSb为缓冲层生长了不同InAs厚度的InAs/GaSb超晶格,其10 K光荧光谱峰值波长在2～2.6 μm.高分辨透射电子显微镜观察证实超晶格界面清晰,周期完整.InAs/GaSb超晶格材料的成功生长是制备这类红外探测器件重要的第一步.

InAs/GaSb超晶格/GaSb体材料中短波双色红外探测器

采用GaSb体材料和InAs/GaSb超晶格分别作为短波与中波吸收材料,外延生长制备了NIPPIN型短中双色红外探测器。HRXRD及AFM测试表明,InAs/GaSb超晶格零级峰和GaSb峰半峰宽FWHM分别为17.57 arcsec和19.15 arcsec,10μm×10μm范围表面均方根粗糙度为1.82Å。77 K下,SiO_(2)钝化器件最大阻抗与面积乘积值RA为5.58×10^(5)Ω∙cm^(2),暗电流密度为5.27×10^(-7) A∙cm^(-2),侧壁电阻率为6.83×10^(6)Ω∙cm。经阳极硫化后,器件最大RA值为1.86×10^(6)Ω∙cm^(2),暗电流密度为4.12×10^(-7)A∙cm^(-2),侧壁电阻率为4.49×10^(7)Ω∙cm。相同偏压下,硫化工艺使器件暗电流降低1-2个数量级,侧壁电阻率提高了1个数量级。对硫化器件进行了光谱响应测试,器件具有依赖偏压极性的低串扰双色探测性能,其短波通道与中波通道的50%截止波长分别为1.55μm和4.62μm,在1.44μm、2.7μm和4μm处,响应度分别为0.415 A/W、0.435 A/W和0.337 A/W。

InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色红外焦平面探测器

InAs/GaSb超晶格材料已经成为了第三代红外焦平面探测器的优选材料。开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器器件结构设计、材料外延、芯片制备,对钝化方法进行了研究,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器。首先以双色叠层背靠背二极管电压选择结构作为基本结构,设计了中/短波双色芯片结构,然后采用分子束外延技术生长出结构完整、表面平整、低缺陷密度的PNP结构超晶格材料。采用硫化与SiO2复合钝化方法,最终制备的器件在77 K下中波二极管的RA值达到13.6 kΩ·cm^2,短波达到538 kΩ·cm^2。光谱响应特性表明短波响应波段为1.7~3μm,中波为3~5μm。双色峰值探测率达到中波3.7×10^11cm·Hz^1/2W^-1以上,短波2.2×10^11cm·Hz^1/2W^-1以上。响应非均匀性中波为9.9%,短波为9.7%。中波有效像元率为98.46%,短波为98.06%。

长波InAs/GaSbⅡ类超晶格红外探测器

报道了50%截止波长为12.5μm的InAs/GaSb Ⅱ类超晶格长波红外探测器材料及单元器件.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.吸收区结构为15ML(InAs)/7ML(GaSb),器件采用PBIN的多层异质结构以抑制长波器件暗电流.在77K温度下测试了单元器件的电流-电压(Ⅰ-Ⅴ)特性,响应光谱和黑体响应.在该温度下,光敏元大小为100μm×100μm的单元探测器RmaxA为2.5Ωcm2,器件的电流响应率为1.29A/W,黑体响应率为2.1×109cmHz1/2/W,11μm处量子效率为14.3%.采用四种暗电流机制对器件反向偏压下的暗电流密度曲线进行了拟合分析,结果表明起主导作用的暗电流机制为产生复合电流.

InAs/GaSb超晶格中波焦平面材料的分子束外延技术

报道了InAs/GaSb超晶格中波材料的分子束外延生长技术研究.通过改变GaSb衬底上分子束外延InAs/GaSb超晶格材料的衬底温度,以及界面的优化等,改善超晶格材料的表面形貌和晶格失配,获得了晶格失配Δa/a=1.5×10-4,原子级平整表面的InAs/GaSb超晶格材料,材料77 K截止波长为4.87μm.

InAs/GaSb二类超晶格红外探测材料的ICP刻蚀

分别采用Cl2/Ar和SiCl4/Ar作为刻蚀气体对InAs/GaSb二类超晶格红外探测材料进行ICP(Inductively Couple Plasma)刻蚀。结果表明,两种刻蚀气体的刻蚀深度与刻蚀时间都呈线性关系;在2 mTorr气压下,RF功率为50 W,SiCl4流量为3 sccm,Ar为9 sccm时,刻蚀速率为100 nm/min,且与材料的掺杂浓度无关。实验还表明,SiCl4/Ar作为刻蚀气体时,Ar流量在很大范围内对刻蚀速率没用明显影响,但Ar的流量越大,刻蚀的均匀性越好;用Cl2/Ar作为刻蚀气体时,刻蚀速率也是100 nm/min,但Ar流量对刻蚀速率有影响:当Ar流量小于3 sccm时,刻蚀速率随Ar流量的减小而明显降低。

GaAs基短周期InAs／GaSb超晶格红外探测器研究

采用分子束外延(MBE)方法,在(001)GaAs衬底上生长了短周期Ⅱ型超晶格(SLs):InAs/GaSb(2ML/8ML)和InAs/GaSb(8ML/8ML).从X射线衍射(HRXRD)中计算出超晶格周期分别为31.2和57.3.室温红外透射光谱表明两种超晶格结构在短波2.1μm和中波5μm处有明显吸收.通过腐蚀、光刻和欧姆接触,制备了短波和中波的单元光导探测器.在室温和低温下进行光谱响应测试和黑体测试,77K下,50%截止波长分别为2.1μm和5.0μm,黑体探测率Db*b均超过2×108cmHz1/2/W.室温下短波探测器Db*b超过108cmHz1/2/W.

320×256元InAs/GaSb II类超晶格中波红外双色焦平面探测器

报道了320×256元InAs/GaSb II类超晶格红外双色焦平面阵列探测器的初步结果.探测器采用PN-NP叠层双色外延结构,信号提取采用顺序读出方式.运用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料,双波段红外吸收区的超晶格周期结构分别为7 ML InAs/7 ML GaSb和10 ML InAs/10 ML GaSb.焦平面阵列像元中心距为30μm.在77 K时测试,器件双色波段的50%响应截止波长分别为4.2μm和5.5μm,其中N-on-P器件平均峰值探测率达到6.0×10^(10) cmHz^(1/2)W^(-1),盲元率为8.6%;P-on-N器件平均峰值探测率达到2.3×10~9 cmHz^(1/2)W^(-1),盲元率为9.8%.红外焦平面偏压调节成像测试得到较为清晰的双波段成像.

InAs／GaSbⅡ型超晶格的拉曼和光致发光光谱

采用分子束外延(MBE)技术,在GaSb(100)衬底上外延生长晶体结构完整和表面平整的Ⅱ型超晶格InAs(1.2nm)/GaSb(2.4nm)。拉曼光谱表明:随着温度从70K升高至室温,由于热膨胀作用和光声子散射过程中的衰减,超晶格纵光学声子拉曼频移向低波数方向移动5cm-1,频移温度系数约为0.023cm-1/K。光致发光(PL)峰在2.4～2.8μm,由带间辐射复合和束缚激子复合构成,2.55μmPL峰随温度变化(15～150K)发生微小红移,超晶格中InAs电子带与GaSb空穴带带间距随温度变化比体材料的禁带宽度小。PL发光强度在15～50K随温度升高而升高,在60～150K则相反,并在不同温度段表现出不同的温度依赖关系。