史夢然,史夢思

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

銻化銦(InSb)是一種閃鋅礦結構的III-V族化合物半導體材料,在77 K條件下,InSb的禁帶寬度為0.227 eV,這種材料能夠吸收易于透過大氣的3～5 μm中波紅外光,因此廣泛應用于中波紅外探測器的研制。

InSb單元或線列光伏紅外器件是一個光電二極管或多個并聯(lián)的光電二極管。因此,其相應的光電特性描述符合經典的半導體理論。但是由于InSb紅外器件制造工藝的特點,制造出的InSb器件光電參數(shù)往往會偏離理想設計參數(shù)。為此,我們必須對實際工藝制造出的器件性能進行檢測和跟蹤[1-2]。

2 InSb光電二極管

InSb紅外光電器件是一種典型的半導體光電二極管器件。在無光照時,其I-V特性與一般的二極管相同。有光照時,I-V特性曲線發(fā)生位移,如圖1(a)所示。在光照條件下,光電二極管上流過的總電流有三部分:1)光電二極管的光生電流；2)理想的二極管電流；3)表面漏電流。

I總=-IL+ID+GS·V

圖1 光電二極管的電流

其中,光電二極管的PN結受光照時引起的光生電流為IL,其方向由N區(qū)指向P區(qū),如圖1(b)所示。理想的二極管電流是光電二極管外加偏壓為V時,小注入引起的PN結擴散電流ID。ID與理想的PN結反向飽和電流有關,其方向由P區(qū)流向N區(qū),與光生電流方向相反。表面漏電流與器件表面漏電導GS有關,由器件實際制造工藝決定,與表面鈍化效果或表面預處理的方法或器件制備完成后的表面清洗效果等均有關[3-4]。

3 InSb器件I-V特性測試

在實際測量中,電流即可以使用配有基本源表的半導體參數(shù)分析儀測量得到,如HP4155、HP4156等,也可以使用普通的低阻電流表直接測量。在器件中測時,我們關注的測量值是InSb器件的直流特性參數(shù),我們可以從背景輻射(300 K)的伏安特性曲線里直接讀出反向飽和電流IO、短路光電流IS和開路電壓VOC。根據(jù)不同型號的探測器的性能要求,觀測開路電壓(Voc)或是短路電流(Is)。除此之外,我們也可以借助阻抗曲線對器件的直流特性進行評價。

本文只討論一種直觀的簡易的定性評判方法。一般情況下,反向平直,反向工作電壓區(qū)間越大越好,但實際測量中滿足零偏電流2倍處的偏壓滿足器件的反偏工作電壓范圍即可。除了評判標準,合理選取y軸的量程,即電流的量程和掃描電壓的范圍,對于直觀判斷器件I-V測試曲線是否合格至關重要。

如果InSb單元和線列器件I-V曲線正常,應當符合圖2所示的I-V曲線的形狀。正向特性基本垂直橫軸,但略微傾斜,即正向特性與橫軸正方向夾角趨近90°。正向特性及拐角處與結特性及電學接觸好壞有關。反向特性應保持水平。反向特性影響紅外探測器的信號大小,對于需要在加偏壓工作的探測器,影響會更明顯。反向特性與芯片表面狀態(tài)、鈍化效果、光敏面尺寸、結深大小都有關。

圖2 合格的InSb器件I-V特性曲線

4 InSb器件I-V失效分析

如圖3所示,雖然此I-V曲線正向正常,但反向存在60～100 mV左右的工作區(qū)間,由于反向過早,判定為不合格器件。此種現(xiàn)象在不合格的I-V測試中,所占比例較大。如果測試過程中無冷光源照射,此種現(xiàn)象主要是由于器件表面漏電嚴重造成的。這種現(xiàn)象主要與鈍化層的鈍化效果、鈍化層與InSb的界面狀態(tài)、鈍化前表面預處理及器件內水分和可動離子殘留情況有很大關系[5-7]。

圖3 不合格I-V曲線1

如圖4此種現(xiàn)象表面漏電比圖3所示情況更為嚴重。主要是由于更為嚴重的表面漏電形成的表面電場已經可以明顯地影響到結區(qū),使得原有空間電荷區(qū)變窄,使得少子注入明顯變大,導致反偏更早。此種現(xiàn)象可認為是介于表面漏電與擊穿之間的一種狀態(tài)。

圖4 不合格I-V曲線2

此外對于表面漏電的具體原因,可以采用如下方法判定。I-V測試時關閉測試場所的日光燈,開冷光源進行光照,如果觀測到光電流變大,這是由于光生載流子變多,同時也使得器件表面漏電變得更加嚴重,說明此時器件本身對光照敏感。這主要是由于鈍化層一側的陷阱中心由于受光照激發(fā),把俘獲的少子釋放出來了[8]。

如果開冷光源后,電流出現(xiàn)變小的現(xiàn)象。這種I-V特性由漏變?yōu)椴宦┑默F(xiàn)象,主要是此時半導體一側禁帶內有大量復合中心被激活,應該是深能級雜質造成的,使得少子減少,壽命變短[9]。如果芯片的表面預處理工藝不變,這種情況就應該區(qū)檢驗體材料是否合格。

圖5 不合格I-V曲線3

如圖5所示此曲線反向在0～400 mV范圍內較平直,但是正向拐角處存在問題,彎曲度較大,正向特性不合格,判定為I-V曲線異常。此種現(xiàn)象說明結有問題。第一種可能性是擴散成結或注入成結的結特性不好,是制備的結本身不好。第二種情況是對于臺面器件成結后,主要是后續(xù)臺面鈍化工藝的離子轟擊損傷到結區(qū),此現(xiàn)象不會單片出現(xiàn),如果發(fā)生會成批次出現(xiàn),易判斷。

圖6 不合格I-V曲線4

如圖6所示此曲線的正向特性比較傾斜,正向特性不合格,判定為I-V曲線異常。此種現(xiàn)象主要是電極接觸不好,影響到接觸電阻和動態(tài)電阻R0A。在日常測試中,此種情況出現(xiàn),可能是由于地端的探針沒有扎好,需要重新調試,如果地扎得沒問題,才可認定為I-V曲線異常。

圖7 不合格I-V曲線5

如圖7所示此曲線在第四象限有微小震蕩,出現(xiàn)“負阻”現(xiàn)象。反偏從第四象限就開始傾斜。此現(xiàn)象不是紅外光電二極管的正常工作的I-V曲線,判定為異常。此現(xiàn)象為隧道擊穿。

圖8 不合格I-V曲線6

如圖8所示此曲線反向出現(xiàn)在第一象限,并出現(xiàn)明顯地向上翹曲,還出現(xiàn)了比圖7所示情況更要顯著地震蕩?！柏撟琛爆F(xiàn)象更明顯,并且反偏過原點。圖7和圖8情況的原因都是隧道效應。主要是由于器件局部摻雜不均勻,導致結區(qū)局部出現(xiàn)重摻雜[10-11]。此時的器件已不是光電PN結,而是隧道結。

圖9 不合格I-V曲線7

如圖9所示此I-V曲線反向出現(xiàn)在第一象限,并且反向在第一象限保持平直,然后反向變彎曲,并經過原點。因MBE外延生長的InSb,在鈍化與半導體材料間有明顯的二維電子氣。界面狀態(tài)符合量子物理的分布。如果能帶計算不準確,誤差大,會造成器件失效。此現(xiàn)象容易出現(xiàn)在InSb基外延或超晶格的器件中。

5 結 論

通過上述對各種InSb單元及線列器件的I-V失效分析,可把常見失效從電學性能角度分為漏電和擊穿。漏電因器件表面狀態(tài)或近表面的缺陷和雜質種類的不同有所區(qū)別。通過區(qū)分漏電原因可以有效跟蹤前道工藝中出現(xiàn)的問題,甚至可以反映體材料制備中某一參數(shù)是否出現(xiàn)異常。擊穿也可分為雪崩擊穿和隧道擊穿,最常見的擊穿現(xiàn)象是光電二極管變成了一個電阻,表現(xiàn)為直通特性。隧道擊穿則表現(xiàn)為“負阻”現(xiàn)象,這種現(xiàn)象更易出現(xiàn)在外延器件和新型InSb器件中。

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