高速響應(yīng)的中波紅外探測器在自由空間光通信和頻率梳光譜學(xué)等新興領(lǐng)域的需求逐漸增加。中長波XB?n勢壘型紅外光探測器對暗電流等散粒噪聲具有抑制作用。

近期，由中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、昆明物理研究所、中國科學(xué)院大學(xué)和陸裝駐重慶軍代局駐昆明地區(qū)第一軍代室組成的科研團隊在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“非制冷勢壘型InAsSb基高速中波紅外探測器”為主題的文章。該文章第一作者為賈春陽，通訊作者為趙俊總工程師和張逸韻研究員。

本工作制備了不同直徑的nBn和pBn結(jié)構(gòu)的中波InAsSb/AlAsSb紅外接地-信號-接地（GSG）探測器。對制備的探測器進行了變溫暗電流特性，結(jié)電容特性和室溫射頻響應(yīng)特性的表征。

材料生長、器件制備和測試

通過固態(tài)源分子束外延裝置在2英寸的n型Te-GaSb襯底上外延生長nBn和pBn器件。勢壘型器件的生長過程如下所示：先在襯底上生長GaSb緩沖層來平整表面以及減少應(yīng)力和位錯，接著生長重?fù)诫s（101? cm?3）n型InAsSb接觸層，然后生長2.5 μm厚的非故意摻雜（101? cm?3）InAsSb體材料吸收層。之后生長了150 nm厚的AlAsSb/AlSb數(shù)字合金電子勢壘層，通過插入超薄的AlSb層實現(xiàn)了吸收區(qū)和勢壘層的價帶偏移的顯著減少，有助于空穴向接觸電極的傳輸，同時有效阻止電子以減小暗電流。最后分別生長300 nm厚的重?fù)诫s（101? cm?3）n型InAsSb和p型GaSb接觸層用于形成nBn和pBn器件結(jié)構(gòu)。其中，Si和Be分別被用作n型和p型摻雜源。生長后，通過原子力顯微鏡（D3100，Veeco，USA）和高分辨X射線衍射儀（Bede D1，United Kingdom）對晶片進行表征以確保獲得高質(zhì)量的材料質(zhì)量。通過激光劃片將2英寸的外延片劃裂為1×1 cm2的樣片。樣片經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)工藝處理，包括臺面定義、鈍化和金屬蒸鍍工藝，制成直徑從10 μm到100 μm的圓形臺面單管探測器。臺面定義工藝包括通過電感耦合等離子體（ICP）和檸檬酸基混合溶液進行的干法刻蝕和濕法腐蝕工藝，以去除器件側(cè)壁上的離子誘導(dǎo)損傷和表面態(tài)。器件的金屬電極需要與射頻探針進行耦合來測試器件的射頻響應(yīng)特性，因此包括三個電極分別為Ground（接地）、Signal（信號）和Ground，其中兩個Ground電極相連，與下接觸層形成歐姆接觸，Signal電極與上接觸層形成歐姆接觸，如圖1（c）和（f）所示。通過低溫探針臺和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀（Keithley 4200，America）測試器件77 K-300 K范圍的電學(xué)特性。器件的光學(xué)響應(yīng)特性在之前的工作中介紹過，在300 K下光電探測器截止波長約為4.8 μm，與InAsSb吸收層的帶隙一致。在300 K和反向偏置為450 mV時，飽和量子效率在55%-60%。通過探針臺和頻率響應(yīng)范圍10 MHz-67 GHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（Keysight PNA-XN5247B，America）對器件進行射頻響應(yīng)特性測試。

結(jié)果與討論

材料質(zhì)量表征

圖1（a）和（d）的X射線衍射譜結(jié)果顯示，從左到右的譜線峰分別對應(yīng)于InAsSb吸收層和GaSb緩沖層/襯底。其中，nBn和pBn外延片的InAsSb吸收區(qū)的峰值分別出現(xiàn)在60.69度和60.67度，GaSb襯底的峰值則出現(xiàn)在60.72度。因此，InAsSb吸收層與GaSb 襯底的晶格失配分別為-108 acsec和-180 acsec，符合預(yù)期，表明nBn和pBn器件的InAsSb吸收區(qū)和GaSb襯底幾乎是晶格匹配的生長條件。因此，nBn和pBn外延片都具有良好的材料質(zhì)量。原子力顯微鏡掃描的結(jié)果在圖1的（b）和（e）中，顯示出生長后的nBn和pBn外延片具有良好的表面形貌。在一個5×5 μm2的區(qū)域內(nèi)，nBn和pBn外延片的均方根粗糙度分別為1.7 ?和2.1 ?。

圖1 （a）和（a）分別為nBn和pBn外延片的X射線衍射譜；（b）和（e）分別為nBn和pBn外延片的原子力顯微掃描圖；（c）和（f）分別為制備的圓形GSG探測器的光學(xué)照片和掃描電子照片

器件的變溫暗電流特性

圖2（a）顯示了器件直徑90 μm的nBn和pBn探測器單管芯片的溫度依賴暗電流密度-電壓曲線，通過在連接到Keithley 4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀的低溫探針臺上進行測量。圖2（b）顯示了件直徑90 μm的nBn和pBn探測器在77 K-300 K下的微分電阻和器件面積的乘積R?A隨反向偏壓的變化曲線，溫度下降的梯度（STEP）為25 K。圖2（c）顯示了在400 mV反向偏壓下，nBn和pBn探測器表現(xiàn)出的從77 K到300 K的R?A與溫度倒數(shù)（1000/T）之間的關(guān)系，溫度變化的梯度（STEP）為25 K。

圖2 從77K到300K溫度下直徑90 μm的nBn和pBn探測器單管芯片（a）暗電流密度-電壓曲線；（b）微分電阻和器件面積的乘積R?A隨反向偏壓的變化曲線；（c）R?A隨溫度倒數(shù)變化曲線

器件暗電流的尺寸效應(yīng)

由于勢壘型紅外探測器對于體內(nèi)暗電流可以起到較好的抑制作用，因此研究人員關(guān)注與臺面周長和面積有關(guān)的表面泄露暗電流，進一步抑制表面漏電流可以進一步提高探測器的工作性能。圖3（a）顯示了從20 μm到100 μm直徑的nBn和pBn器件于室溫工作的暗電流密度和電壓關(guān)系，尺寸變化的梯度（STEP）為10 μm。圖3（b）顯示從20 μm-100 μm的nBn和pBn探測器的微分電阻和臺面面積的乘積R?A隨反向偏壓的變化曲線。圖3（d）中pBn器件的相對平緩的擬合曲線說明了具有較高的側(cè)壁電阻率，根據(jù)斜率的倒數(shù)計算出約為1.7×10? Ω·cm。

圖3 從20 μm到100 μm直徑的nBn和pBn器件于室溫下的（a）暗電流密度和電壓變化曲線和（b）R?A隨反向偏壓的變化曲線；（c）在400 mV反偏時，pBn和nBn器件R?A隨臺面直徑的變化；（d）（R?A）?1與周長對面積（P/A）變化曲線

器件的結(jié)電容

圖4（a）顯示了使用Keithley 4200 CV模塊在室溫下不同直徑的nBn和pBn探測器的結(jié)電容隨反向偏壓的變化曲線，器件直徑從20 μm到100 μm按照10 μm梯度（STEP）變化。對于勢壘層完全耗盡的pBn探測器，預(yù)期器件電容將由AlAsSb/AlSb勢壘層電容和InAsSb吸收區(qū)耗盡層電容的串聯(lián)組合給出，其中包括勢壘層和上接觸層側(cè)的InAsSb耗盡區(qū)。

圖4 （a）在室溫下不同直徑的nBn和pBn探測器的結(jié)電容隨反向偏壓的變化曲線；（b）反偏400 mV下結(jié)電容與臺面直徑的變化曲線。

器件的射頻響應(yīng)特性

通過Keysight PNA-X N5247B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、探針臺和飛秒激光光源，在室溫和0-3 V反向偏壓下，對不同尺寸的nBn和pBn探測器在10 MHz至67 GHz之間進行了射頻響應(yīng)特性測試。根據(jù)圖5推算出在3V反向偏壓下的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直徑的圓形nBn和pBn紅外探測器的3 dB截止頻率（f3dB）。勢壘型探測器內(nèi)部載流子輸運過程類似光電導(dǎo)探測器，表面載流子壽命對響應(yīng)速度會產(chǎn)生影響。

圖5 在300 K下施加-3V偏壓的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直徑的nBn和pBn探測器的歸一化頻率響應(yīng)圖

圖6 不同尺寸的nBn和pBn探測器（a）3 dB截止頻率隨反向偏壓變化曲線；（b）在3 V反向偏壓下的3 dB截止頻率隨臺面直徑變化曲線

圖6（a）展示了對不同尺寸的nBn和pBn探測器，在0-3 V反向偏壓范圍內(nèi)的3 dB截止頻率的結(jié)果。隨著反向偏壓的增大，不同尺寸的器件的3 dB帶寬也隨之增大。因此，在圖6（a）中觀察到在低反向偏壓下nBn和pBn器件的響應(yīng)較慢，nBn探測器的截止頻率落在60?MHz-320 MHz之間而pBn探測器的截止頻率落在70?MHz-750 MHz之間；隨著施加偏壓的增加，截止頻率增加，nBn和pBn器件最高可以達到反向偏壓3V下的2.02?GHz和2.62 GHz。pBn器件的響應(yīng)速度相較于nBn器件提升了約29.7%。

結(jié)論

通過分子束外延法在銻化鎵襯底上生長了兩種勢壘型結(jié)構(gòu)nBn和pBn的InAsSb/AlAsSb/AlSb基中波紅外光探測器，經(jīng)過臺面定義、工藝鈍化工藝和金屬蒸鍍工藝制備了可用于射頻響應(yīng)特性測試的GSG探測器。XRD和AFM的結(jié)果表示兩種結(jié)構(gòu)的外延片都具有較好的晶體質(zhì)量。探測器的暗電流測試結(jié)果表明，在室溫和反向偏壓400 mV工作時，直徑90 μm的pBn器件相較于nBn器件表現(xiàn)出更低的暗電流密度0.145 A/cm2，說明了該器件在室溫非制冷環(huán)境下表現(xiàn)出低噪聲。不同臺面直徑的探測器的暗電流測試表明，pBn器件的表面電阻率約為1.7×10? Ω·cm，對照的nBn器件的表面電阻率為3.1×103 Ω·cm，而pBn和nBn的R?A體積項的貢獻分別為16.60 Ω·cm2和5.27 Ω·cm2。探測器的電容測試結(jié)果表明，可零偏壓工作的pBn探測器具有完全耗盡的勢壘層和部分耗盡的吸收區(qū)，nBn的吸收區(qū)也存在部分耗盡。探測器的射頻響應(yīng)特性表明，直徑90 μm的pBn器件的響應(yīng)速度在室溫和3 V反向偏壓下可達2.62 GHz，對照的nBn器件的響應(yīng)速度僅為2.02 GHz，相比提升了約29.7%。初步實現(xiàn)了在中紅外波段下可快速探測的室溫非制冷勢壘型光探測器，對室溫中波高速紅外探測器及光通訊模塊提供技術(shù)路線參考。

論文鏈接：

http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023157