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延伸波长InGaAs探测器的表面与界面研究

石铭  
【摘要】:Ⅲ-Ⅴ族的In Ga As探测器由于其探测率高、工作温度高、抗辐照等特性在短波红外波段显示出明显的优势。随着航天遥感及成像领域对In Ga As探测器应用的进一步需求,大面阵、高性能、低成本的In Ga As探测器成为未来发展的方向。对于延伸波长In Ga As探测器(截止波长1.7μm),由于与In P或Ga As衬底存在晶格失配,导致吸收层材料中存在较多的位错和缺陷,使得器件暗电流过大,降低暗电流对减小器件噪声、提高探测率而言显得异常迫切。本论文探索性地研究了高质量、低损伤、良好覆盖的感应耦合等离子化学气相沉积(ICPCVD)钝化工艺在台面结延伸波长In Ga As探测器件上的应用,并取得了相应成果。开展了低温ICPCVD钝化工艺的研究,初步明确了ICPCVD钝化工艺的主要工艺参数。研究了BHF溶液处理+N2等离子清洗+ICPCVD沉积介质薄膜的表面钝化处理工艺,分别采用Si H4/N2和Si H4/N2O生长了Si Nx和Si O2薄膜。采用正交试验的方法研究了ICP功率、RF功率、腔体压强等生长参数对薄膜性能的影响,对Si Nx和Si O2薄膜沉积工艺均获得了致密性好、均匀、表面形貌良好且热稳定性好的薄膜生长条件。使用X射线光电子能谱(XPS)分析了ICPCVD工艺生长的Si Nx薄膜,采用高斯方法对Si 2p峰位进行了分峰拟合,根据拟合曲线计算的Si0、Si+1、Si+2、Si+3和Si+4峰面积成分分别为5.0%、4.8%、18.2%、36.4%和35.6%,与文献报道的优化PECVD工艺生长的Si Nx薄膜相比,表现出了更优异的成键特性和薄膜质量。以延伸波长In Ga As外延材料为基础,分别使用ICPCVD工艺和PECVD工艺生长的Si Nx薄膜,制备了MIS结构器件。采用高频C-V曲线的方法计算了不同工艺所制备MIS器件的快(慢)界面态密度、表面固定电荷密度、衬底掺杂浓度、薄膜电阻率。与PECVD工艺器件相比,ICPCVD工艺MIS器件慢界面态密度从3.61×1012cm-2降低为1.74×1012cm-2,但是PECVD工艺MIS器件与ICPCVD工艺MIS器件快界面态密度、表面固定电荷密度与薄膜电阻率没有显示出明显的差异。研制了n on p结构的截止波长到2.4μm延伸波长的8×1元线列In0.78Ga0.22As探测器,器件采用了ICP刻蚀台面成型的深台面结工艺,采用了ICPCVD沉积的Si Nx薄膜作为钝化膜,在沉积薄膜之前,材料表面经过3:6:10的氢氟酸缓冲液(BHF)处理和ICP源激发N2等离子体进行预清洗。结果显示器件侧面电流很小,体现出了良好的表面钝化工艺,器件表现出较好的暗电流特性,在200K和300K温度下暗电流密度分别为94.2n A/cm2和5.5×10-4A/cm2,器件在室温下长波截止波长约为2.37μm。研制了n on p结构的截止波长到2.6μm延伸波长的8×1元线列In0.83Ga0.17As探测器,两种吸收层浓度分别为1×1016cm-3和3×1016cm-3的材料结构,分别采用了PECVD和highrate模式ICPCVD钝化工艺,结果显示采用ICPCVD钝化工艺的器件总电流和侧面电流更小,分析表明体电流主要成分为扩散电流和产生复合电流,对PECVD工艺钝化器件侧面电流主要表现为欧姆电流和表面产生复合电流,而ICPCVD工艺钝化器件侧面电流表现为表面产生复合电流。研究了不同N2/Si H4流量比及衬底温度对ICPCVD生长的Si Nx薄膜沉积速率、BHF湿法腐蚀速率、粘附力、元素成分、退火状态的影响,研究了优化工艺在延伸波长In Ga As探测器件上的应用并有效降低了器件暗电流,分析了不同钝化工艺薄膜的界面特性。基于不同工艺制备了MIS器件,对比研究了常规工艺(实验3)和提高衬底温度的实验7工艺Si Nx薄膜与延伸波长In Ga As外延材料之间的界面特性,与实验3工艺MIS器件相比,实验7工艺MIS器件界面态密度、固定电荷密度、慢界面缺陷均有所降低,且损耗更小。制备了采用不同钝化工艺的p on n结构延伸波长In Ga As探测器,与工艺3相比,增加N2/Si H4流量比的工艺4暗电流得到有效降低,而N2/Si H4流量比减小的工艺1暗电流密度有所增加,提高衬底沉积温度的工艺7暗电流也得到了一定程度降低。对于实验4工艺器件,通过增加N2/Si H4流量比可以得到N/Si元素比接近于4/3的质量更好的Si Nx薄膜,使器件钝化效果得到进一步提高,而对于实验7工艺器件,通过提高衬底沉积温度使钝化膜与延伸波长In Ga As材料之间的界面特性得到改善,器件钝化效果也得到提高。综上所述,本文研究了ICPCVD介质薄膜生长工艺参数;研究了ICPCVD与PECVD工艺所生长Si Nx钝化膜与延伸波长In Ga As外延材料特性;将ICPCVD钝化膜应用于延伸波长In Ga As探测器件;优化薄膜沉积工艺并有效降低器件暗电流。这些工作对于ICPCVD薄膜沉积工艺有一定参考和指导价值,对于半导体器件表面特性与钝化工艺的改善有一定研究意义。


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