高In组分InGaAs探测材料微光敏区表征方法研究

发布时间：2018-04-17 16:13

本文选题：延伸波长 + InGaAs　；参考：《中国科学院上海技术物理研究所》2017年博士论文

【摘要】：InGaAs是短波红外成像的理想材料,由于其低暗电流、高探测率、高工作温度、良好的抗辐照等特性已显示出了巨大的应用价值。随着航空航天以及成像领域用InGaAs探测器在大面阵、高性能、低成本、低功耗等方面的要求进一步提高,使得在这些方向上的研究成为未来发展的主要方向。由于延伸波长InGaAs(λcutoff1.7μm)与衬底InP存在晶格失配导致吸收层中存在较多的位错和缺陷,使得器件暗电流过大,因此研究材料与器件的关联性,进行微光敏区表征,优化器件工艺参数,提高器件性能显得十分重要。本文研究了延伸波长InGaAs探测器微光敏区缺陷以及材料质量、材料关键参数表征,器件工艺优化,并取得了一些研究成果。开展了X射线表征延伸波长InGaAs材料的研究,分别采用高分辨X射线和同步辐射表征手段。获得了半峰宽(737.2arcsec)较小的In0.83Ga0.17As吸收层,得到In0.83Ga0.17As外延层的晶格在垂直方向上的失配为1.945%,在水平方向上的失配为1.928%。采用10KeV的X射线研究得到了数字梯度超晶格层(DGSL)的周期为104.9?,实验获得值与TEM测试结果具有很好的一致性。同时对多种材料进行了掠入射实验测试,发现在入射角为0.3度时信号强度最大,当入射角大于0.7度时信号基本上无法探测。采用了能量更高的18KeV的X射线研究发现原来单一的衬底峰中分辨出多个叠加峰成分。为了研究材料的少数载流子扩散长度,采用了SPV无损检测的方法对两种不同掺杂浓度的常规InGaAs材料进行了相关实验。获得了高掺杂浓度样品材料的少数载流子扩散长度为5.59μm,低掺杂浓度样品材料的少数载流子扩散长度为6.3μm。为了研究延伸波长In0.83Ga0.17As探测器微光敏区的缺陷信息,采用了不同工艺流程制备的探测器作为研究对象,使用了电子束诱导电流(EBIC)和深能级瞬态谱(DLTS)方法对探测器缺陷进行测试表征,同时研究了不同工艺对器件性能的影响。EBIC研究结果得到样品A(在台面刻蚀之后快速热退火)和样品B(在台面刻蚀之前快速热退火)的缺陷比例、缺陷个数、缺陷密度分别为13.09%、96、23.3×106cm~(-2)和7.33%、34、8.14×106cm~(-2)。采用DLTS方法测试了三个延伸波长探测器样品:1#(Cl2/N2刻蚀)和2#(Cl2/CH4刻蚀)器件为常规SiNx钝化器件,3#(Cl2/CH4刻蚀)器件为优化SiNx钝化器件。测试结果表明:样品1的DLTS谱线显示的是一个少子(空穴)缺陷,位置为124meV,俘获截面为5.77×10-19cm2,浓度为1.34×1014cm-3;样品2和样品3显示的是一个多子(电子)缺陷,位置分别为431meV和5meV,俘获截面分别为9.31×10-15cm2和4.65×10-20cm2,浓度分别为1.61×1014cm-3和2.91×1014cm-3。DLTS测试的是样品的深能级缺陷,而EBIC测试的是样品表面的电活性缺陷,所以测试结果显示的缺陷密度有很大差别。研究了在台面刻蚀前和台面刻蚀后快速热退火两种工艺对器件性能的影响,研究表明在台面刻蚀之前进行快速热退火的光电二极管有较低的暗电流密度,而且具有较低的面积相关的暗电流成分。研究了分别采用Cl2/N2和Cl2/CH4气体的刻蚀工艺,实验通过采用PL谱、传输线(TLM)模型、器件IV特性以及器件探测率来表征两种刻蚀气体工艺的优劣。结果表明,Cl2/CH4刻蚀样品的PL谱信号强度较弱,TLM模型测试的方块电阻Rsh较大,制备的光电二极管的暗电流密度较低、信号较大、探测率较高,从而说明Cl2/CH4刻蚀气体的工艺比Cl2/N2的效果好一些。采用了上述的退火优化工艺与刻蚀优化工艺进行了器件的集成验证。通过制备相应的光电二极管,测试了不同温度和偏压下两种器件的暗电流,分析了器件的热激活能。结果表明采用优化工艺制备的器件暗电流密度(387nA/cm2)低于常规工艺制备的器件暗电流密度(1.2μA/cm2),所以退火刻蚀工艺相比常规的工艺具有一定的优势。基于InGaAs探测器航天应用的背景,开展了高密度延伸波长In0.83Ga0.17As器件的探索研究。实现了高密度亚10μm像元的In0.83Ga0.17As探测器的制备:器件规模为10×10,像元面积大小为9μm×9μm,像元中心距为10μm,占空比为81%。测试结果表明:器件的室温暗电流密度为1.47×10-4A/cm2,200K的暗电流密度为10.5nA/cm2,同时通过光谱响应测试获得了器件在室温下的截止波长为2.57μm。
[Abstract]:In order to study the minority carrier diffusion length of an extended wavelength InGaAs detector , it is found that there are more dislocations and defects in the absorption layer due to the lattice mismatch between the extended wavelength InGaAs detector and the substrate InP . In order to study the minority carrier diffusion length of the material , the effect of the different process on the performance of the device is studied .

【学位授予单位】：中国科学院上海技术物理研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN215

【参考文献】