外延型InSb(InAlSb)探測器工藝分析

尚林濤,師景霞,溫 濤,趙建忠

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

InSb是目前制備中波紅外(3～5 μm)探測器非常成熟和重要的一種III-V族半導體材料。研究起于20世紀50年代,主要基于InSb體晶擴散或離子注入成結工藝。InSb基分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)紅外探測器的研制,國外主要有英國的Malvern和以色列的SCD兩家。英國Malvern研究起步較早,2000年報道了NETD=10.4 mK的320×256[1],2003年報道了當時世界上規格最大的1024×768@26um外延型InSb焦平面陣列(FPA),NETD=12～15mK,陣列可操作性高達99.9 %[2]；SCD較早建立了成熟的InSb探測器生產線,1998年開始批量生產InSb體晶320×256 FPA組件[3],2000年批產640×512,2002年提出銻基化合物半導體(ABCS)發展路線圖(圖1(a)),開始研發Sb基外延材料工藝,包括InSb、InAlSb(長中波)、InAsSb(短中波)、中波和長波超晶格以及擴展的多光譜集成探測。2003年開始研發外延InSb和InAlSb基紅外探測器工藝,2006年左右完成InAlSb工藝開發并于2008年開始外延型InSb(InAlSb)探測器工藝線,主要有外延型“Blue Fairy”(BF)320×256和Pelican(Pelican-D)640×512等產品。

圖1 英國Malvern 2003年研制的1024×768外延型InSb FPA成像圖和SCD的MWIR二維FPA發展路線圖

常規的體晶InSb探測器工作于77 K(或80 K),外延型InSb材料的探測器可顯著降低二極管器件中的缺陷密度,探測器暗電流可降低一階幅度從而實現高溫工作。圖2(a)顯示了SCD開發的320×256面陣的外延InSb FPA成像圖,從80 K～110 K,110 K下仍可以看到500 km以外的電源線并且在夜晚看到天空的云朵。圖2(b)顯示了外延型Pelican-640×512陣列的FPA在停車場拍到的畫面,F/4.1,95～110 K,圖像質量依然不受影響,僅在120K以上開始衰退。

圖2 工作于不同溫度的外延型320×256和640×512 InSb FPA

在InSb材料中摻入適當的Al可以外延制備成三元InAlSb材料的短中波(4.1～5 μm)紅外探測器并進一步降低暗電流提高探測器的工作溫度。如圖3展示了SCD的λc～5 μm的InAlSb探測器可穩定工作于100 K[3],圖3(a)展示了SCD 1 % Al組分的320×256 FPA相機在0.5 km處拍攝的圖像,λc～5 μm,110 K下樹木的枝條和樹葉清晰可見,樹下的黑點位置隨時間移動,為正在放牧的奶牛。

(a)

(b)

目前國內仍主要基于成本相對較低77 K工作的體晶InSb工藝線,而同等性能情況下95 K及以上的外延型InSb以及110 K及以上的外延型InAlSb探測器則更具尺寸、重量、功耗和成本(SWaP & C)優勢,可以使用更小的制冷器,應用于緊湊型手持應用、小型萬向平衡架和導彈防御等系統中。本文結合相關文獻報道對近年來InSb基MBE外延InSb(InAlSb)材料工藝及器件性能進行了梳理分析和總結,并指出了還存在的一些問題。

2 理論分析

傳統的InSb基探測器通過注入或者擴散成結的平面工藝將p型摻雜元素分散到體n型InSb晶體中以形成平面結構的p+n結二極管(如圖4(a)),而MBE外延工藝可以直接生長制備平臺結構的臺面形p+n結二極管。MBE外延型工藝具有原子層級厚度精確控制和原位實時在線摻雜特點,可以依照理論設計生長出各種包含復雜器件結構的高質量材料實現更高的工作溫度。外延型InSb探測器具有如下優勢:(1)降低了缺陷密度(GR陷阱中心),產生更高質量的p-n結,器件暗電流降低一階幅度(17個因子)(圖4(b)),95 K工作時可保持標準探測器80 K同樣的成像質量；(2)95 K外延型具有與80 K平面型相同或更低的NETD值(圖4(c))；(3)0.1 %的RNU值線以下,95 K外延型V型曲線類似于80 K的平面型,且80 K溫度附近具有更寬動態溫度范圍和更低RNU值(圖4(c)、(d))；(4)外延型探測器的NETD值可保持到100 K幾乎不變,像元可操作性保持在99.8 %(圖4(c))；(5)外延型探測器的調制轉移函數(MTF)曲線比體晶曲線空間頻率分布更寬(尤其在大像元中心距情況下),具有更高的空間分辨率(圖4(e))。以上性能對比證實外延型InSb可以在更高的溫度下工作而不會衰退圖像質量,甚至在15 μm的像元間距以下。

圖4 外延型InSb探測器和體晶InSb探測器性能對比

由于InSb是窄禁帶半導體材料,僅約80 K工作溫度,工作溫度稍高便會產生熱激發載流子,增大探測器的噪聲。在外延型InSb p+-i-n+器件結構的p+層和活性區之間插入一個厚度不超過20 nm的更寬帶隙In1-xAlxSb(x=0.15)薄勢壘應力弛豫層構成p+-p+-i-n+結構(圖5(a2)和圖5(b)),可在導帶產生一個大的臺階勢壘(價帶幾乎沒有改變),降低p+區到n區的電子擴散,防止電子隧穿,降低接觸泄露電流和熱擴散電流。通過調節外延InSb中的Al組分(0≤x<5)可以改變帶隙寬度,進而改變截止波長(4～5.4 μm范圍),并且由于暗電流對帶隙的依賴性,更高的Al濃度可以更進一步降低暗電流提高工作溫度,還可通過波長調節制備雙色探測器。外延包括In1-xAlxSb高帶隙勢壘的全InAlSb外延材料結構(圖5(a3)),可進一步降低探測器材料的暗電流,理論預測具有更高的探測率并且保持120 K以上的工作溫度(圖5(c)),如圖5(d),工作溫度提升到110 K可使原來80 K工作的制冷功耗由5 W降至4 W,下降20 %,顯著降低制冷器的功耗、體積和重量,增加使用壽命,實現更緊湊的設計(圖5(e))。可用于手持式來復槍一樣的視覺應用(由非致冷的500～800 m探測距離提升到2 km以上)。100 K以上的工作溫度使制冷時間大幅縮短,而且相同RNU條件下具有更大的溫度波動穩定性和耐受性(圖4(d)),可用于導彈制導防御。圖6展示了256×256面陣含有InAlSb勢壘層的P-i-N型InSb和全InAlSb探測器在80 K、100 K和130 K的成像演示,可以明顯看出全InAlSb材料的成像更清晰,可更清晰的分辨出細部分。

圖5 InSb基外延材料結構設計及性能

圖6 含InAlSb勢壘層的外延P-i-N型InSb(InAlSb)256×256 FPA探測器在80 K、100 K和130 K的成像圖

3 材料工藝分析

3.1 襯底技術

傳統的InSb體晶探測器在倒裝互連后襯底一般要背減薄到～10μm以增大入射紅外光通過襯底的透過率增大光生載流子的信號轉換增益。向襯底中摻入適量濃度的Te元素,由于Moss-Burstein漂移效率(圖7(a)),隨Te元素濃度的增加,透過的開啟波長會向短波端稍微藍移(圖7(b)),如摻雜密度從8×1017cm-3到4.8×1018cm-3,峰值透過波長會從 6μm附近移動到3.5 μm附近(圖7(c)),同時透過率峰值在逐漸下降。摻入Te無素可允許襯底減薄量減小,當使用Te摻雜2×18 cm-3時,550 μm的InSb襯底僅需要減薄到～60 μm,簡化了制備工藝并降低了偏壓電學串擾。

圖7 InSb襯底中摻Te降低背減厚度原理圖

3.2 外延InSb

英國和SCD采用的InSb(100)襯底偏向(111)B 方向2°,以防止形成小丘狀缺陷堆積。實驗中也確實發現,較低外延生長溫度(430 ℃,Tt以下)時,2°偏角的InSb襯底不易形成小丘狀堆積缺陷,卻會形成平行的波浪狀起伏折皺,無偏角襯底也易形成小丘狀堆積粗糙,并且隨Sb/In比增大(6×),小丘狀堆積尺寸增大,XRD FWHM均大于10 arcsec。然而較高生長溫度時,無偏角的InSb襯底在合適的Sb/In比時則會形成原子級光滑的表面。如圖8,可獲得XRD的FWHM低至6.4 arcsec(相比體晶8～9 arcsec),10 μm×10 μm表面的平均粗糙度Ra=0.161 nm,方均根粗糙度Rq=0.201 nm,整個表面平坦致密,無凹陷或突起缺陷,1 μm×1 μm微觀尺度下可看到清晰的原子臺階。

圖8 不同生長條件下外延InSb材料實驗結果

實驗采用2.09×、5×、4×和6.5×等不同的Sb/In束流等效壓強(BEP)比在高溫下對2°偏角的InSb襯底進行了研究。結果表面起伏狀波形折皺有所改善,表面宏觀缺陷密度可以控制在小于1000 cm-2(718 cm-2)；但晶體質量改善有限,微觀表面有小孔狀凹陷或小顆粒狀堆積,表面粗糙度rms>1 nm；XRD FWHM均大于InSb襯底,晶體質量沒有得到提高。

3.3 外延InAlSb

在InSb中摻入適當的Al,可以外延生長三元合金In1-xAlxSb。由于與InSb襯底之間有一定的晶格失配(如圖9),高質量的外延生長會有一定的難度[4],但3 %以內較小的Al組分時晶格失配較小(<0.1 %)；或者采用特殊的方法,如遷移增強的外延法(MEE)可以盡量降低界面失配而獲得優質的外延薄膜。盡管如此,合理的控制外延生長溫度和Sb/In比也可獲得較好質量的材料。如圖9是采用“低溫外延MEE InAlSb緩沖層+高溫生長InAlSb”的方法獲得的1.5 μm厚InAlSb薄膜10 μm×10 μm表面的AFM形貌圖,可看到表面光滑平整,平行的原子臺階條狀整齊排列,不同尺度下表面平均粗糙度分別為:Ra=0.3 nm～0.8 nm(30 μm×30 μm),Ra=0.2 nm～0.3 nm(10 μm×10 μm),Ra=0.1 nm～0.2 nm(1 μm×1 μm)；XRD的FWHM為39～47.2 arcsec,具有較高的晶體質量；2 in InSb基外延InAlSb材料表面Al組分相對均勻,從晶圓中心到邊緣保持在2.2 %左右,保持到小數位后一位；約4.8 μm的InAlSb光致發光PL特征峰與理論預測基本一致,而且發光峰要高于體晶InSb材料。

圖9 外延InAlSb材料分析

3.4 摻雜分析

在P-i-N型結構的InSb(InAlSb)材料中需要進行原位的P型(Be)和N型(Te)摻雜,以達到1×1018cm-3級,同時活性吸收層非摻本征n型載流子濃度應該保持在1×1015cm-3及以下。制備了pin型結構并用二次離子質譜儀SIMS進行了分析驗證。結果如下圖10所示,Be的摻雜界面突變,從本征非摻區陡峭上升到P型接觸區,達到1×1018cm-3的數量級,摻雜狀態理想；但Te的摻雜曲線不太垂直陡峭,在N型摻Te區存在約0.5 μm左右的上下層擴散,存在輕微的梯度分度。這也驗證了文獻中所指出的Te不是III-V族材料良好的摻雜劑會存在輕微的表面遷移[5]。通過GaAs基InSb異質外延制備樣品并經過Hall電學測試,確定InSb本征吸收層的載流子濃度在77 K時能達到1×1015cm-3,符合理論設計要求。

圖10 Be和Te元素摻雜分布的SIMS分析

3.5 材料缺陷分析

盡管外延InSb和InAlSb材料獲得了較好的晶體質量,但整體表面宏觀缺陷仍然較多,一般在1000 cm-2以上,為分析早期外延InSb和InAlSb材料的缺陷起源,進行了位錯腐蝕實驗并與InSb體晶襯底進行了對比分析。使用化學腐蝕液向下腐蝕去除材料表面幾微米后發現材料表面缺陷較多的部位在表層以下內部仍然存在而且更為密集；多為密集的團簇點狀堆積或小凹坑聚集；除少量小孔狀缺陷外體晶整體缺陷較少；InAlSb材料表面易形成交叉狀網格織紋是由于晶格失配導致,而如果控制好抑制失配的外延參數(如采用MEE法和組分梯度的緩沖層法)也可以獲得網格織紋較少或無網格織紋的表面,如圖11(e),經腐蝕去除表面幾微米后網格等缺陷仍然很少。

圖11 外延樣品表面缺陷分析

3.6 脫氧工藝分析

外延材料表面缺陷的來源除了與襯底加工工藝有關外,也有脫氧工藝密切相關。高質量徹底的襯底表面脫氧可去除表面污物和氧化層,完全暴露出襯底表面的不飽和懸掛鍵,為接下來的原子結合成鍵外延沉積生長提供理想的清潔表面。而不徹底或不合理的脫氧會導致襯底表面缺陷延伸到外延材料表面。一般采用熱脫氧法進行襯底脫氧,由于InSb的熱脫氧點溫度較高,接近其襯底熔點527 ℃,高溫脫氧容易損傷表面結構,脫氧后AFM圖像顯示表面存在大量的“隕石坑”或山丘溝壑狀的凸凹表面,不同尺度下表面粗糙度為:Ra=2.73 nm,Rq=3.55 nm(30 μm×30 μm),Ra=2.81 nm,Rq=3.60 nm(10 μm×10 μm),Ra=2.63 nm,Rq=3.51 nm(1 μm×1 μm),均在3 nm左右。這將會影響到以此表面為基礎的外延生長。

SCD[6-7]曾報道使用分子H束流(分子H清洗,MHC)的方法,在250 ℃的低溫下就可完全去除InSb襯底表面氧化層,脫氧后表面納米尺度光滑,無任何小液滴等缺陷結構以及將近1∶1的In∶Sb化學計量；英國威爾士大學的L.Haworth也報道[8]使用H在275 ℃清洗并在375 ℃退火可獲得清潔、臺階狀無小坑或島缺陷的結構。原子或分子H脫氧可為MBE生長提供清潔理想的外延表面,是一種理想的脫氧方法,SCD采用原子H源脫氧工藝后可以重復實現材料近乎零缺陷使得制備的探測器壞像元極少。

3.7 刻蝕工藝分析

圖12為臺面結構制備的濕法和干法刻蝕，平臺刻蝕工藝可以去除載流子橫向擴散相關的光學串擾。但濕法刻蝕由于刻蝕的各向同性容易形成下刻、刻蝕孔洞、鉆蝕或橫向刻蝕等問題,特別是濕法刻蝕深度有限,最大深度6 μm,不利于制備大面陣、小像元間距的像元陣列；而干法刻蝕固有的具有高縱向和橫向選擇比,可以獲得低缺陷密度的平滑刻蝕表面和較深的平坦臺面邊墻。因此,對于外延材料,采用干法刻蝕可以增強器件的光電效應,獲得更低暗電流和高的靈敏度(D*)。

圖12 臺面結構制備的濕法和干法刻蝕

3.8 器件性能分析

3.8.1 器件I-V特性分析

將外延的P-i-N型InSb和InAlSb采用與體晶相同的工藝制備成像元直徑1142 μm的單元器件在77 K進行了電流-電流(I-V)特性和暗電流比較分析(如圖13)。外延InSb和InAlSb器件的I-V曲線均呈現出和體晶InSb器件類似的曲線特征。

正偏下,外延InSb和InAlSb與體晶幾乎重合一致,正向開啟偏壓略有差別,體晶InSb可達122 mV,外延InSb為117～120 mV,InAlSb為117 mV；反偏下,在-0.3 V～0 V反偏范圍保持和體晶器件類似的反向平直特征,外延InAlSb更平直一些,大于-0.3 V后隨反向偏壓增大衰退明顯,體晶InSb在直到-1 V仍保持平直的反向I-V曲線,沒有出現明顯的反向隧穿衰退,表明晶體內部缺陷少、摻雜成結質量較好。體晶InSb的反向電流高達-34 μA,外延InSb最高可達18 μA,InAlSb可達5～9 μA。三者的電阻比較(圖13(a)上部區域):InAlSb的零偏峰值電阻與體晶InSb接近,均可達到1 MΩ,外延InSb幾百kΩ。外延材料器件在高于-0.3 V反偏電壓時隧穿電流明顯,正偏開啟偏壓略小于體晶InSb,反映出材料缺陷、摻雜或結構還有待優化。

圖13 外延單元器件

將三者封裝在杜瓦中在相同實驗條件下從77 K到130 K進行了暗電流比較。整體上外延InAlSb的暗電流更低,77 K下為7.76×10-5A/cm2(表1),比體晶約低一階幅度,-0.1 V偏壓下暗電流在110 K相當于體晶77 K；體晶InSb的反向I-V保持平直,具較高的反向工作偏壓,但對溫度的耐受性較差,隨溫度變化分布比較分散,外延材料隨溫度分布比較集中,溫性更好；外延InAlSb比外延InSb暗電流更低。

3.8.2 器件性能分析

三種器件在77～130 K的探測率隨溫度變化如圖14(a),與體晶相比還有一定的差距。但值得注意的是InAlSb的探測率隨溫度升高變化比較平穩,受溫度影響較小,性能比較穩定；外延InSb次之；體晶InSb的探測率隨溫度升高下降較快。如圖14(b),與探測率變化趨勢類似,外延材料的響應率與體晶還有較大差距,77 K時相差達5倍；超過110 K后體晶的響應率迅速降低,InAlSb和外延InSb的響應率則下降幅度不大。如圖14(c),三者電阻隨溫度變化也有相同的趨勢,與體晶有一些差距但變化比較平穩。如圖14(d),排除個別測量誤差,外延材料的信號與體晶還有一定差距,但超過105K后體晶器件的信號迅速下降,InAlSb的信號則隨溫度影響較小,甚至略有上升。如圖14(e),三者的噪聲在溫度較低時區別不大,但隨著溫度的升高,115 K以后體晶噪聲升高4倍以上,而InAlSb幾乎維持不變,具有明顯的噪聲抑制優勢。

表1 暗電流數據表

圖14 三種器件的性能分析

因此,整體上,探測率、響應率電阻和信號三者均有相同的變化趨勢,均低于體晶,但是隨溫度升高比較穩定,具有明顯的噪聲抑制特性。外延InSb(InAlSb)的材料工藝還有待進一步優化以提升信號響應。

4 結 論

本文通過對目前外延型InSb探測器的理論和工藝進行梳理分析得出以下結論:InSb基外延材料(尤其是InAlSb)確實具有明顯的低暗電流、噪聲抑制、高工作溫度和溫度穩定性優勢；但是目前外延材料還存在較多的缺陷,影響探測器的信號電流、探測率、響應率和電阻大??；可以借鑒國外分子(原子H)脫氧技術,在低溫下實現襯底快速徹底脫氧,降低表面缺陷、提高像元的均勻一致性；可以繼續優化生長溫度、V/III比等工藝參數,最大限度的降低與外延生長過程相關的表面缺陷；可以繼續優化材料結構和摻雜,提高探測器的信號響應和工作溫度；可以繼續優化刻蝕等器件工藝以實現大面陣外延型InSb和InAlSb FPA組件制備。