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。

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.

InAs/GaSb超晶格探测器台面工艺研究（英文）

InAs/GaSb SLs探测器台面刻蚀常用的工艺有干法刻蚀和湿法刻蚀。研究了三种等离子刻蚀气体(Cl2基,Ar基和CH4基)对超晶格的刻蚀效果,SEM结果表明,CH4基组分能够得到更加平整的表面形貌和更少的腐蚀坑;之后采用湿法腐蚀工艺,用于消除干法刻蚀带来的刻蚀损伤,分别研究了酒石酸系和磷酸系两种腐蚀溶液的去损伤效果,结果表明,磷酸系腐蚀液的去损伤效果更好,且腐蚀速率更加稳定。采用优化的台面工艺制备了InAs/GaSb SLs探测器,其I-V特性曲线表明二极管具有较低的暗电流,其77 K时动态阻抗R0A=1.98×104Ωcm2。

320×256 InAs/GaSb超晶格中/短波双色探测器组件研制

InAs/GaSb超晶格材料制备的新型红外器件在最近十几年得到了迅速发展。文中开展了InAs/GaSb二类超晶格中/短波双色焦平面探测器组件研制,设计了中/短波双色叠层背靠背二极管芯片结构,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,制备出性能优良的320×256双色焦平面探测器组件,对探测器组件进行了测试分析。结果显示,在77 K下中波二极管RA值达到26.0 kΩ·cm^2,短波的RA值为562 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,满足设计要求。双色峰值探测率达到中波3.12×10^11cm·Hz1/2W^-1,短波1.34×10^11cm·Hz1/2W^-1。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%。

2～5μm InAs/GaSb超晶格红外探测器

采用分子束外延方法在GaSb和GaAs衬底上生长了不同周期厚度的InAs／GaSb高质量II型能带结构超晶格红外探测器，其探测波长覆盖2～5μm红外波段。采用高分辨透射电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射测试、室温与低温光电流响应谱及室温与低温光荧光谱等多种测试手段检验了分子束外延生长在不同衬底上的超晶格材料质量与光学质量。该材料用于制造2～5μmGaAs基与GaSb基InAs／GaSb超晶格红外探测器。在77K温度下，2μm波段GaAs基InAs／GaSb超晶格红外探测器探测率为4×10^9cm·Hz^1/2／w，5μm波段GaSb基InAs／GaSb超晶格红外探测器探测率为1．6×10^100cm·Hz^1／2／W。

用于红外探测的短周期InAs/GaSb超晶格材料的生长

用金属有机物化学气相淀积法(MOCVD)在GaSb衬底上生长InAs/GaSb超晶格,探索了最佳的生长厚度,优化了各种生长参数,并且分析了源流量控制的重要性.得到的超晶格材料的光致发光(PL)谱、X射线双晶衍射图以及表面形貌图表明,生长的超晶格材料可以响应10μm的长波,且具有良好的表面形貌和外延层质量.

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超晶格中短波双色探测器新型钝化方法研究

由于InAs/GaSb Ⅱ类超晶格材料有较高的表面态密度,易在表面生成导电氧化层,在将其制备成红外器件的过程中,首先要解决钝化问题。钝化效果和覆盖膜层质量对红外器件的表面漏电和噪声有很大影响。使用阳极氟化加硫化锌的方法,对中短波双色InAs/GaSb超晶格进行钝化,使用俄歇电子能谱测试证实了阳极氟化的可靠性,使用77 K下的J-V测试结果,对比证实了氟化的钝化效果和对漏电流密度的改善效果。结果表明,阳极氟化加硫化锌的钝化方法可以有效抑制漏电。

InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流特性分析

利用二极管电流解析模型分析了InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流的主导机制。首先,通过变面积二极管I-V测试证实77 K下采用阳极硫化加SiO_(2)复合钝化的InAs/GaSb超晶格长波红探测器的暗电流主要来自于体电流,而非侧壁漏电流;然后,利用扩散电流、产生复合电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流模型对InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的暗电流进行拟合分析。结果表明:在小的反向偏压下(≤60 mV),器件暗电流主要由产生复合电流主导,而在高偏压下(>60 mV),器件暗电流则主要由缺陷陷阱辅助隧穿电流主导。并分析了吸收层掺杂浓度对这两种电流的影响,证实5×10^(15)~1×10^(16) cm^(−3)是优化的掺杂浓度。

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超晶格中波红外二极管的阳极硫化

采用分子柬外延技术，在GaSb衬底上生长了pin结构的InAs（8ML）／GaSb（8ML）超晶格中波红外光电二极管．用阳极硫化和ZnS薄膜对二极管表面进行钝化处理后，二极管漏电流密度降低了三个数量级，零偏阻抗R。达到10^6Q，RoA达到10^3Qcm2．通过测量电流密度与光敏元周长面积比的关系可知表面漏电不是主要漏电成分；电容电压特性曲线表明吸收层i层背景掺杂浓度约4～5×10^14cm．在空气中放置一个月后再次测试，发现响应率和探测率几乎没有变化．与化学硫化和siO2薄膜钝化方法相比，阳极硫化方法是一种更简单和有效的钝化方法．

InAs/GaSb超晶格和M结构超晶格能带结构研究

本文通过k·p方法研究了传统InAs/GaSb超晶格和M结构超晶格的能带结构。首先,计算了不同周期厚度的InAs/GaSb超晶格的能带结构,得到用于长波超晶格探测器吸收层的周期结构。然后,计算了用于超晶格长波探测器结构的M结构超晶格的能带结构,并给出长波InAs/GaSb超晶格与M结构超晶格之间的带阶。最后,基于能带结构,计算出长波超晶格与M结构超晶格的态密度,进而得出的载流子浓度(掺杂浓度)与费米能级的关系。这些材料参数可以为超晶格探测器结构设计提供基础。

InAs/GaSb超晶格中波红外二极管的Ⅳ特性研究

采用分子束外延(MBE)技术,在GaSb衬底上生长了pin结构的InAs(8ML)/GaSb(8ML)超晶格中波红外光电二极管。经过(NH4)2S表面钝化后的Ⅳ特性曲线表明:低的正偏压下,理想因子n在2左右,势垒区的复合电流起主要作用;偏压超过0.14 V时,n在1左右,少子扩散电流占主。表面势垒区中过多的Ⅲ族元素的空位缺陷导致表面出现大量复合中心。采用阳极硫化后,表面漏电大大减小,反偏漏电流密度降低三个数量级,零偏阻抗R0达到106欧姆,R0A达到103量级。

长波段InAs/GaSb超晶格材料的分子束外延研究

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格作为红外探测材料具有优越的光电性能,其量子效率高,暗电流小,微带带隙可调,是第三代红外焦平面探测器的最优选材料。本文对长波段超晶格材料分子束外延技术进行了优化,设计了"两步法"界面控制技术,制备了高质量的77 K光致发光(PL)、发光波长为8.54μm的长波段超晶格材料。研究了表面迁移率增强法外延长波段超晶格的缺陷形成机制和应变平衡机制,发现InSb界面在低温生长及过量淀积的情况下存在二维生长的特性。在上述方法基础上外延长波段超晶格红外探测器材料,利用标准工艺技术成功制备长波段PIN型红外探测器,其50%截止波长为8.72μm,峰值探测率达到了8.1×1010cm·Hz1/2/W。

nBn结构InAs/GaSb超晶格中/长双波段探测器优化设计

双波段红外探测可对复杂的红外背景进行抑制,在军用目标识别、医疗诊断和污染监测等方面有重要应用价值。基于二类超晶格的双波段红外探测器在成本和性能方面具有很大的优势,成为新型红外探测器领域的研究热点。然而其暗电流和串扰会极大地影响双波段红外探测器的性能。因此,设计了nBn结构的InAs/GaSb超晶格中/长波双波段红外探测器,通过仿真比较不同结构的器件在不同偏压下的中波/长波通道的响应率和暗电流大小,分析势垒层厚度、吸收层厚度、不同区域的掺杂对暗电流和串扰的影响,从而得到最佳的模型参数达到减小暗电流和降低串扰的效果。仿真结果显示:nBn结构的中/长波双波段红外探测器在77 K下,中波通道的暗电流密度为4.5×10^(-5)A·cm^(-2),在0.3 V偏压下,2μm处的峰值量子效率为64%,探测率可以达到3.9×10^(11)cm·Hz^(1/2)·W^(-1);长波通道的暗电流密度为1.3×10^(-4)A·cm^(-2),在-0.3 V的偏压下,5.6μm处的峰值量子效率为48%,探测率可以达到4.1×10^(11)cm·Hz^(1/2)·W^(-1)。相关结论可为器件设计和加工提供参考。

InAs/GaSb超晶格长波红外探测器

InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外探测器因其特殊的能带结构及其自身的材料和器件优势,在红外成像技术上具备极大的应用价值和前景,同时在大面阵长波红外探测器及甚长波红外探测器领域展现出优异的器件性能,并推动世界各国对这一低维半导体研究的持续发展,成为第三代红外探测器技术的最佳选择,并在国防建设、医疗、电力、天文学、抗灾方面有着广泛的应用。本文着重介绍了Ⅱ类超晶格长波红外探测器器件的制备、焦平面的成像测试以及器件的相关性能。长波探测器器件在77 K条件下10%截止波长为14mm,峰值量子效率为35%,峰值响应2.6 A/W,峰值探测率接近1×1010cm Hz1/2W^(-1)。

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。

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。