尚林濤,師景霞,溫 濤,趙建忠

(華北光電技術(shù)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(dǎo)體材料。研究起于20世紀(jì)50年代,主要基于InSb體晶擴(kuò)散或離子注入成結(jié)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(dāng)時世界上規(guī)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(dá)99.9 %[2]；SCD較早建立了成熟的InSb探測器生產(chǎn)線,1998年開始批量生產(chǎn)InSb體晶320×256 FPA組件[3],2000年批產(chǎn)640×512,2002年提出銻基化合物半導(dǎo)體(ABCS)發(fā)展路線圖(圖1(a)),開始研發(fā)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(kuò)展的多光譜集成探測。2003年開始研發(fā)外延InSb和InAlSb基紅外探測器工藝,2006年左右完成InAlSb工藝開發(fā)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(chǎn)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(fā)展路線圖

常規(guī)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(shí)現(xiàn)高溫工作。圖2(a)顯示了SCD開發(fā)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(zhì)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(dāng)?shù)腁l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(jìn)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(wěn)定工作于100 K[3],圖3(a)展示了SCD 1 % Al組分的320×256 FPA相機(jī)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(diǎn)位置隨時間移動,為正在放牧的奶牛。

(a)

(b)

目前國內(nèi)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(yōu)勢,可以使用更小的制冷器,應(yīng)用于緊湊型手持應(yīng)用、小型萬向平衡架和導(dǎo)彈防御等系統(tǒng)中。本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)報道對近年來InSb基MBE外延InSb(InAlSb)材料工藝及器件性能進(jìn)行了梳理分析和總結(jié),并指出了還存在的一些問題。

2 理論分析

傳統(tǒng)的InSb基探測器通過注入或者擴(kuò)散成結(jié)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(jié)構(gòu)的p+n結(jié)二極管(如圖4(a)),而MBE外延工藝可以直接生長制備平臺結(jié)構(gòu)的臺面形p+n結(jié)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(shí)時在線摻雜特點(diǎn),可以依照理論設(shè)計生長出各種包含復(fù)雜器件結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量材料實(shí)現(xiàn)更高的工作溫度。外延型InSb探測器具有如下優(yōu)勢:(1)降低了缺陷密度(GR陷阱中心),產(chǎn)生更高質(zhì)量的p-n結(jié),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(biāo)準(zhǔn)探測器80 K同樣的成像質(zhì)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(tài)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(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)(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(shí)外延型InSb可以在更高的溫度下工作而不會衰退圖像質(zhì)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(dǎo)體材料,僅約80 K工作溫度,工作溫度稍高便會產(chǎn)生熱激發(fā)載流子,增大探測器的噪聲。在外延型InSb p+-i-n+器件結(jié)構(gòu)的p+層和活性區(qū)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(yīng)力弛豫層構(gòu)成p+-p+-i-n+結(jié)構(gòu)(圖5(a2)和圖5(b)),可在導(dǎo)帶產(chǎn)生一個大的臺階勢壘(價帶幾乎沒有改變),降低p+區(qū)到n區(qū)的電子擴(kuò)散,防止電子隧穿,降低接觸泄露電流和熱擴(kuò)散電流。通過調(diào)節(jié)外延InSb中的Al組分(0≤x<5)可以改變帶隙寬度,進(jìn)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(jìn)一步降低暗電流提高工作溫度,還可通過波長調(diào)節(jié)制備雙色探測器。外延包括In1-xAlxSb高帶隙勢壘的全I(xiàn)nAlSb外延材料結(jié)構(gòu)(圖5(a3)),可進(jìn)一步降低探測器材料的暗電流,理論預(yù)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(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(圖5(e))?？捎糜谑殖质絹韽?fù)槍一樣的視覺應(yīng)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(wěn)定性和耐受性(圖4(d)),可用于導(dǎo)彈制導(dǎo)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I(xiàn)nAlSb探測器在80 K、100 K和130 K的成像演示,可以明顯看出全I(xiàn)nAlSb材料的成像更清晰,可更清晰的分辨出細(xì)部分。

圖5 InSb基外延材料結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)

傳統(tǒng)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(zhuǎn)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(lán)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(dāng)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(xué)串?dāng)_。

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(shí)驗中也確實(shí)發(fā)現(xiàn),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(shí)驗結(jié)果

實(shí)驗采用2.09×、5×、4×和6.5×等不同的Sb/In束流等效壓強(qiáng)(BEP)比在高溫下對2°偏角的InSb襯底進(jìn)行了研究。結(jié)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(zhì)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(zhì)量沒有得到提高。

3.3 外延InAlSb

在InSb中摻入適當(dāng)?shù)腁l,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(zhì)量的外延生長會有一定的難度[4],但3 %以內(nèi)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(qiáng)的外延法(MEE)可以盡量降低界面失配而獲得優(yōu)質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(shù)位后一位；約4.8 μm的InAlSb光致發(fā)光PL特征峰與理論預(yù)測基本一致,而且發(fā)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(jié)構(gòu)的InSb(InAlSb)材料中需要進(jìn)行原位的P型(Be)和N型(Te)摻雜,以達(dá)到1×1018cm-3級,同時活性吸收層非摻本征n型載流子濃度應(yīng)該保持在1×1015cm-3及以下。制備了pin型結(jié)構(gòu)并用二次離子質(zhì)譜儀SIMS進(jìn)行了分析驗證。結(jié)果如下圖10所示,Be的摻雜界面突變,從本征非摻區(qū)陡峭上升到P型接觸區(qū),達(dá)到1×1018cm-3的數(shù)量級,摻雜狀態(tài)理想；但Te的摻雜曲線不太垂直陡峭,在N型摻Te區(qū)存在約0.5 μm左右的上下層擴(kuò)散,存在輕微的梯度分度。這也驗證了文獻(xiàn)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(zhì)外延制備樣品并經(jīng)過Hall電學(xué)測試,確定InSb本征吸收層的載流子濃度在77 K時能達(dá)到1×1015cm-3,符合理論設(shè)計要求。

圖10 Be和Te元素?fù)诫s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(zhì)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(jìn)行了位錯腐蝕實(shí)驗并與InSb體晶襯底進(jìn)行了對比分析。使用化學(xué)腐蝕液向下腐蝕去除材料表面幾微米后發(fā)現(xiàn)材料表面缺陷較多的部位在表層以下內(nèi)部仍然存在而且更為密集；多為密集的團(tuán)簇點(diǎn)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(wǎng)格織紋是由于晶格失配導(dǎo)致,而如果控制好抑制失配的外延參數(shù)(如采用MEE法和組分梯度的緩沖層法)也可以獲得網(wǎng)格織紋較少或無網(wǎng)格織紋的表面,如圖11(e),經(jīng)腐蝕去除表面幾微米后網(wǎng)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(guān)外,也有脫氧工藝密切相關(guān)。高質(zhì)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(jié)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(dǎo)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(jìn)行襯底脫氧,由于InSb的熱脫氧點(diǎn)溫度較高,接近其襯底熔點(diǎn)527 ℃,高溫脫氧容易損傷表面結(jié)構(gòu),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(chǔ)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(jié)構(gòu)以及將近1∶1的In∶Sb化學(xué)計量；英國威爾士大學(xué)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(jié)構(gòu)。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(fù)實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(kuò)散相關(guān)的光學(xué)串?dāng)_。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(qiáng)器件的光電效應(yīng),獲得更低暗電流和高的靈敏度(D*)。

圖12 臺面結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xiàn)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(dá)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(xiàn)明顯的反向隧穿衰退,表明晶體內(nèi)部缺陷少、摻雜成結(jié)質(zhì)量較好。體晶InSb的反向電流高達(dá)-34 μA,外延InSb最高可達(dá)18 μA,InAlSb可達(dá)5～9 μA。三者的電阻比較(圖13(a)上部區(qū)域):InAlSb的零偏峰值電阻與體晶InSb接近,均可達(dá)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(jié)構(gòu)還有待優(yōu)化。

圖13 外延單元器件

將三者封裝在杜瓦中在相同實(shí)驗條件下從77 K到130 K進(jìn)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(dāng)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(wěn),受溫度影響較小,性能比較穩(wěn)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(yīng)率與體晶還有較大差距,77 K時相差達(dá)5倍；超過110 K后體晶的響應(yīng)率迅速降低,InAlSb和外延InSb的響應(yīng)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(wěn)。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(qū)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(yōu)勢。

表1 暗電流數(shù)據(jù)表

圖14 三種器件的性能分析

因此,整體上,探測率、響應(yīng)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(wěn)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(jìn)一步優(yōu)化以提升信號響應(yīng)。

4 結(jié) 論

本文通過對目前外延型InSb探測器的理論和工藝進(jìn)行梳理分析得出以下結(jié)論:InSb基外延材料(尤其是InAlSb)確實(shí)具有明顯的低暗電流、噪聲抑制、高工作溫度和溫度穩(wěn)定性優(yōu)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(yīng)率和電阻大??；可以借鑒國外分子(原子H)脫氧技術(shù),在低溫下實(shí)現(xiàn)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(xù)優(yōu)化生長溫度、V/III比等工藝參數(shù),最大限度的降低與外延生長過程相關(guān)的表面缺陷；可以繼續(xù)優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和摻雜,提高探測器的信號響應(yīng)和工作溫度；可以繼續(xù)優(yōu)化刻蝕等器件工藝以實(shí)現(xiàn)大面陣外延型InSb和InAlSb FPA組件制備。