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高灵敏度平面型InGaAs短波红外探测器应用基础研究

曹高奇  
【摘要】:In_xGa_(1-x)As是应用于短波红外波段探测的优良材料,在空间遥感领域有着重要的应用价值。本论文针对高灵敏度探测的应用需求,围绕平面型InxGa1-xAs探测器的关键工艺及相关物理机制开展了研究。研究了晶格匹配InGaAs探测器和延伸波长InGaAs探测器的p电极欧姆接触及温度特性;分析了真空环境热处理对SiNx膜钝化性能的影响,优化了扩散杂质激活热处理参数,并进行了不同周长面积比(P/A)器件、32×32和512×256元面阵探测器验证,分析了激活热处理对面阵探测器暗电流、探测率等性能以及大面阵焦平面探测器均匀性的影响,并利用优化的工艺制备了高性能的1024×128元InGaAs焦平面;优化了平面型延伸波长InGaAs探测器的扩散工艺参数,并进行了不同P/A测试结构器件验证,利用激光诱导电流谱(LBIC)获得了延伸波长探测器材料的少子扩散长度,并分析了平面型延伸波长InGaAs探测器的暗电流机制。研究了晶格匹配平面型InGaAs探测器电极接触及温度特性,在480?C、30s退火条件下,Au与p~+-InP室温下的比接触电阻降低至3.84×10~(-4)?·cm~2,且随着温度的降低比接触电阻增加,接触性能变差。分析发现接触界面上的电子传输机制以热电子发射为主,拟合得到隧穿因子、势垒高度和费米能级与价带顶之间的差值分别为0.44eV、0.13eV和0.59eV。对于平面型延伸波长InGaAs探测器,在480?C 15s和450?C 15s退火条件下,Au与p~+-In0.82Al0.18As均形成了良好的接触,室温下比接触电阻分别为6.07×10~(-5)?·cm~2和1.28×10~(-4)?·cm~2,其温度特性研究发现比接触电阻随着温度的增加而增加,并呈现γ次方关系,与传统的金属-半导体理论相矛盾,TEM分析发现可能是Au/p-In0.82Al0.18As界面上大量金属包络导致了该反常电学现象。采用PL光谱研究了真空热处理对SiNx膜钝化效果的影响,对于SiNx膜经过真空热处理的样品,其PL发光峰强度明显增强。利用测试结构器件进行了研究,发现SiNx膜经过热处理的器件具有更低的暗电流,在-0.1V下,暗电流密度为10nA/cm~2。建立了表面漏电模型对漏电机制进行研究。研究了扩散杂质Zn的激活优化及其对探测器性能的影响,获得了优化的热处理参数,测试结构器件分析表明经过激活热处理的样品暗电流有明显的降低;利用原工艺和优化的工艺制备了32×32元小面阵探测器,并用两种工艺在2英寸晶圆片制备了512×256元焦平面,小面阵探测器性能分析表明优化工艺制备的器件在暗电流密度、探测率等优于原工艺,而原工艺制备的512×256元焦平面响应异常,SCM分析表明未经过热处理的样品存在未反型区域,导致光敏元无法收集光生载流子。利用优化的激活工艺制备了1024×128元InGaAs探测器焦平面,盲元率为0.46%,不均匀性为3.8%,室温探测率3.07×1012cmHz~(1/2)/W。研究了Zn在高In组份In0.82Al0.18As帽层材料中的扩散行为,获得了Zn的扩散激活能1.06eV,表明扩散以填隙机制为主;研究了Zn扩散对高In组份异质结界面的影响,发现扩散温度降低可抑制Zn扩散对异质结界面导致的损伤,保持界面处超晶格结构的完整性;对不同工艺的测试结构器件进行了光电性能表征,光照下电流-电压曲线显示样品pn结成结正常,室温和200K的响应截止波长分别为2.56μm和2.40μm,信号随着温度的增加近似线性增加,噪声随温度降低而降低,400?C扩散条件下器件具有较高的探测率,在200K下峰值探测率约为6.8×1011cmHz~(1/2)/W,峰值量子效率均优于80%。用激光诱导电流谱(LBIC)研究了平面型波长延伸探测器材料中的少子扩散长度,发现利用980nm的激光扫描样品,提取的少子扩散长度在260K以下与T~(1/2)为线性关系,这与材料内的复合机制、迁移率机制有密切关系;利用2.0μm的激光器对样品进行了测试,分析了大光敏元的响应均匀性,提取了吸收层少子扩散长度,室温25?C和-35?C时,少子扩散长度约分别为4.91μm和3.09μm。研究了表面钝化和扩散成结工艺对探测器暗电流性能的影响,结果显示平面型延伸波长InGaAs探测器的暗电流主要来自于体内,PECVD和ICPCVD SiNx的表面钝化对暗电流的影响不大。器件暗电流受扩散温度的影响较大,与500?C扩散条件相比,400?C扩散的样品具有更低的暗电流,200K下的暗电流降低了1个数量级。暗电流分析显示室温下平面型延伸波长探测器的暗电流主要以扩散电流、产生复合电流和分路电流为主;200K时暗电流以分路电流、产生复合电流和隧穿电流为主,但是不同的成结工艺,分路电流和陷阱辅助隧穿电流差别较大,这些可为平面型延伸波长InGaAs探测器性能的改善提供理论依据。


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