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用于GaAS衬底有源焦点的InSb光电二极管的平面阵列
摘要：本文讲述了能够集成MESFET的GaAs衬底技术的发展和InSb光电探测器的中红外光平面光学特性，并展示了新型的有源像素器件的结构。我们的研究结果为在单芯片上开发集成的中红外焦平面阵列电路奠定了基础。对器件结构的研究面积低至0.0016平方毫米。通过添加碳化硅钝化层，我们改进了整流器，使得反向偏置中的漏电流降低了27%。在近、中红外波段进行了广泛的验证。通过在带隙上方照射引起碰撞电离，在近红外范围内获得了高达3.54A/W的响应度和高于1的量子效率值。在中红外范围内，观察到高达0.97A/W的响应度。事实证明，这些设备的宽度与标准视频抽样速率兼容。
索引术语——焦平面阵列（FPA），GaAs,红外线图像传感器，InSb，中红外（mid-IR），单片集成。
- 引言
中红外（mid-IR）波长范围内的感知和成像对于国防和安全应用，环境监测，天文学，气体传感和医疗诊断越来越重要。现在已经用例如InSb、InAlSb、InAsSb等几种基于锑化物的III-V半导体材料以及最近的具有很大潜力的InSb/ GaAs超晶格结构证明了在中红外检测中，其灵敏度在室温下跨越1.5至7mu;m的光学波长，光谱范围是许多气体（NO,CO,）的吸收线。这使得InSb称为气体传感器应用的理想候选者，InSb气体探测器已经被证实了可行性并逐步商业化。为了制造诸如焦平面阵列（FPA）的成像装置，需要能够单独寻址和读出InSb光电二极管（PD）状态的系统。 在可见波长范围内，这可以通过在CMOS硅平台上集成光电探测器和MOSFET来实现。考虑到在用于中红外成像的小带隙材料上制作晶体管非常困难，所以光电探测器和寻址电路的单片集成变得很有挑战性，因此到目前为止制造的FPA都是混合设计的，即探测器和用于读取探测器状态的CMOS集成电路（ROIC）是分别制造的，随后二者通过倒装芯片技术进行粘合，这种混合制造技术需要减少基板厚度和添加额外的加工步骤，所以会使得器件的制造变得复杂化且成本会显著提高。基于锑化物的FPA需要在80K左右的温度下进行冷却操作这一苛刻条件是混合设计的难点，因为锑化物材料和硅材料之间有着差别巨大的热膨胀系数，当热循环的温差太大时会导致连接失败和半导体的破裂，这大大限制了操作和储存的温度范围。但是FPA的混合设计还是有它的优点的，就是可以单独的优化探测器和ROIC。
在最近的研究中已经实现了在有源中红外像素集成中整体集成了中红外探测器和GaAs MESFET。然而这并不意味着在InSb开发FPA过程中的难点已经被克服了。在本文中，我们将会描述在GaAs衬底上的平面InSb光电探测器的优化以及其光学和电学性能，并展示了能够支持中红外FPA所需视频速率带宽的高响应度InSb PD的可行办法。这些器件是在适合集成InSb PD和底层MESFET的新型架构上实现的，其中阳极和阴极的触点均位于晶圆的正面。为了实现目标，我们开发了一套完善的的流程来保障对InSb器件的后续处理并避免设备故障，这套流程是通过调整传统调整传统技术（例如钝化）来实现对设备物理上和电气性上的保护。
在第二节中，我们讲述了所用材料的外壳和进行InSb PD制造的流程，第三节介绍了InSb光电探测器在77K和300K时获得的I-V电气特性，第四节则讲述了它的光学特性，在第五节讨论并总结了主要研究成果，并于第六部分得出了结论。
- 设备
所使用的的集成结构材料包括p-i-n InSb探测器和用于读出光电流信号的GaAs MESFET。外延结构则是通过分子束外延（MBE）生长在半绝缘（SI）GaAs衬底上。由于晶片上的温度不稳定，在SI衬底上生长多层MBE要比在SI衬底上掺杂更有难度。GaAs衬底相较于硅衬底拥有更低的与InSb的晶格失配（GaAs为14.5%，而硅为19%）。使用GaAs衬底可以让整个器件架构生产过程中统一使用III-V工艺技术。在InSb和GaAs层之间插入300纳米的锑化镓（GaSb）缓冲液可以减轻InSb在GaAs上直接生长所产生的拉力。完整的外延结构如图1所示，由4层（从下到上）组成：1）未掺杂的GaAs缓冲层；2）低浓度n掺杂层；3）高浓度n掺杂层；4）再次使用GaAs缓冲层。通过缓冲层将GaAs MESFET的第一层与上面的InSb PD分离。PD层同样从下到上为：1）高浓度n掺杂（）的接触层；2）非故意掺杂层，在这一层进行红外辐射的吸收；3）势垒，是高浓度p掺杂层；4）最后是另外一层高浓度p掺杂（）的接触层。铍和碲分别用作锑化物层的p型和n型掺杂剂。 硅是GaAs MESFET层的n型掺杂剂。势垒通过在接触区重新组合来防止热产生的载流子漂移到接触区以实现更好地整流效果并且有更好地噪声特性。图1显示了达到InSb n 接触和制造工作InSb PD所需的蚀刻深度和分布。在InSb的制造流程中的一些步骤会有一些限制，特别是在加工温度和等离子体损坏方面可能会导致设备泄露和短路，因为这些限制，在制作流程中所使用的的工艺都是在低于200°C的温度下进行的，灰化和除渣的步骤是在较低的射频功率下进行的，用这些方法来最大限度的减少等离子体引起的损坏和样品的过热。
InSb PD的制造流程如下。第一步是使用标准光刻胶掩模（1.8 mu;m的Shipley Microposit S1818系列光刻胶，通过UV曝光和Microposit MF-319生成图像）生成图案，随后通过湿蚀刻将图案印刷到材料上。我们使用重量比为32:2:80的混合溶液来刻蚀InSb材料，因为这种混合溶液保证了室温刻蚀速率在15nm/min和20nm/min中之间的易于控制的各向同性刻蚀，目标刻蚀深度是3.5mu;m。我们制造了几个从0.64（800800 mu;m 的方形台面）到0.0016（直径为45mu;m的圆形台面）的不同的台面。在湿蚀刻和抗蚀剂剥离之后，可以立即在未钝化的器件上进行欧姆接触。通过Ti/Au蒸发进行接触，然后通过双层抗蚀剂剥离。由于InSb的带隙小（在300K时为0.172eV），因此不需要对触点进行热退火。
为了研究钝化的影响，一些器件使用氮化硅（）涂覆，氮化硅可以使用Oxford Instruments System 100电感耦合等离子体180工具在低温（lt;40°C）下进行沉积。因为器件台面的刻蚀深度定为3.5mu;m，所以使用400nm厚的氮化硅（）层来保证侧壁覆盖的均匀性。对于以这种方式钝化的器件，要在形成欧姆接触之前，要使用六氟化硫（）等离子体在Oxford Instruments System 100刻蚀工具中刻蚀层中的窗口，然后使用已经描述过的相同工艺制造欧姆接触。
- 电气特性
在没有照明的条件下，反向偏压下的电流具有几个分量。
其中是暗电流，是材料中的扩散电流，是表面扩散电流，和分别是由载流子产生复合和隧道效应产生的寄生大电流，最后，是由诸如穿透错位之类的缺陷引起的泄漏路径电流。公式中的电流分量取决于器件施加电压和温度。
产生的原因是在侧壁表面上的原生氧化物有不希望出现的导电性。、、、和都与器件的面积成线性比例，照明时的光生电流也是如此，然而，仅与器件的暴露侧壁表面相关联，并且正如我们所示，通过使用作为表面钝化层可以明显减少。本文研究的最小器件是直径45mu;m的台面，由于器件台面面积的减小会使得泄漏分量所占的比重越来越大，因此需要更好的钝化方式。
我们使用了连接在Agilent 4155C半导体参数分析仪的直流探针在室温下进行I-V特性的表征实验。从实验的结果上证实了钝化对的改善效果，如图3所示，应用钝化的器件有更好的整流效果和最小的暗电流值。对于采用400nm钝化的PD（图中虚线所示）在室温下显示出了很好的改善效果，I-V曲线相较于没有钝化的器件变得更加平整（因为的减少），并且泄漏量从从27%降至16%。在证实了钝化对800800 mu;m和400400 mu;m尺寸的方形PD的有效改善效果后，在今后所有制造的PD都将会采用钝化的这种方法，并且重点将会放在因台面尺寸的不同所引起的不同效果。如图3所示当器件面积变大时，暗电流会变小，因为泄漏体积是最小的（绿色虚线和橙色线）。
因为方形器件角落中的电流拥挤可能会有的潜在影响，所以我们研究了形状对于器件的影响。反向偏压下InSb PD的漏电流和方形器件的面积之间的关系总结如图4所示。由于InSb PD通常在300mv以下的较小的反向偏压下工作，所以我们用-50mV的偏压并都在300K的温度下进行数据采集。如图4所示，对于小型器件，电流随着圆形和方形PD的面积线性增加。对于我们研究的最小器件，即直径为45mu;m的圆形PD，在-50mV偏压下的暗电流为520mu;A。电流与面积线的在I~0处于电流轴相交，表明器件的中有非常小的分量。这证明了我们的钝化器件具有较低的（见图3）。随着台面的尺寸逐渐增大，当超过大约30000时，电流开始饱和。在我们的器件中，我们在设备顶部表面使用单个环形阳极（参见图4中的插图）。随着器件面积的增加，朝向器件中心的热产生载流子不会被阳极收集，因此，对于大尺寸的台面，电流缩放会饱和。这种效果在方形的设备中更加明显。我们从具有相同面积的圆形和方形的PD中测量的暗电流值中得出结论，InSb PD的形状似乎不会影响暗电流值得大小。对于中红外传感器，通常需要冷却装置来减少不必要的热激励电流，因此我们研究了几个二极管器件在77K和300K下的I-V特性并进行了比较。这些数据可以在图5中看到。
通过比较室温和77K时的曲线，可以看出整流的效果很明显。45-mu;m的圆形台面的漏电流接近0V（图5a），漏电流从300K时的1.14mu;A下降至77K时的150nA（图5b和图5c）。在-50mV的反向偏压下，对于直径为45mu;m的圆形InSb PD，暗电流在室温下从520mu;A降低至3mu;A（图5a）。如前所述，由于InSb的能带间隙较小，热生成的载流子对300K时的电流影响较大，对于77K时的电流影响较小。我们的下一步实验是在77K的环境下比较钝化和未钝化装置的I-V特性。我们发现77K条件下，钝化的影响可以忽略不计，因为77K条件下未钝化和钝化的InSb PD的曲线几乎重叠。这表明对于低温冷却装置而言只有非常小的，但是就像之前所说的那样，在较高的温度下钝化对于降低是很有必要的。
- 光学表征
我们对InSb PD的红外光响应进行了表征。对于本节中所描述的所有实验，我们仅连接了InSb PD的p和n触点，并且MESFET触点（如果有的话）均保证浮地。GaAs基板是Si，并且由于有较厚的未掺杂缓冲层，MESFET层不会干扰InSb PD的特性或者引入额外的电流泄漏路径。测量时使用的是将输出光束聚焦在器件上的具有连续波输出的Anritsu MG9638A可调谐激光器。除非另有说明，否则所有的InSb PD均在零偏压下测量，流过它们的电流直接用皮安表（Keithley 487）测量。用广域功率计（ThorLabs S132C）测量了照亮二极管的总激光功率。当波长设置为1.61mu;m时，测量范围为1至10mW范围内的光电流，相应的光电子能量约为InSb能带间隙的4.5倍。对于每一个激光功率，响应度用公式计算，其中是光束照亮二极管的激光光斑面积，是InSb PD的台面面积，这个公式不考虑顶部接触面积。计算每个激光功率,然后对所有的测量功率值进行平均，以获得平均响应率，图6显示了测量的多个InSb PD的平均响应功率，以及相应的量子效率。
从数据中看出，对于小型器件，测量的响应度的值呈现出较大的扩散，我们认为造成这种情况的原因是诸如制造公差、检核线阴影和顶部接触区域差异等因素。对于较大的的台面，我们发现了响应度的大幅度下降，这个特性与之前提到过的定位效应有关，这种效应适应于光生载流子以及热激发载流子。对于大面积的InSb PD，只有靠近环形顶部触点产生的电子空穴对有助于产生光电流。在大面积的InSb PD的表面，由于大多数的光生载流子会重组，所以表面对于产生光电流没有任何贡献。图6还描绘了针对相应的响应度计算的量子效率。从图中可以看出，对于大多数的小面积检测器，所获得的值大于100%，这个现象可以用碰撞电离来解释。
我们用比InSb带隙高得多的光子能量照射InSb PD，因此每一个光子都会产生具有足够动能的载流子，以产生额外的电子-空穴对。进一步的实验证明了电场的应用确实增强了碰撞电离现象。在4545mu;m平方的InSb PD上施加50mV反向偏压，使响应率从1.28增加到2.16A/W（量子效率从98%提高到166%）。然而，随着响应度的增加，热产生的载流子也在增加导致信噪比大约降低了100倍。
我们还使用了傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪（Bruker Vertex 70）进行了中红外光谱范围的表征。我们用我们制造的InSb PD替换了这个仪器中内置的中红外探测器，其输出用于测量光谱仪中红外光源（辉光条）的发射光谱。在室温和大气压下测量所有的特征装置。图7显示了其中一个器件的典型光电流谱。在4.2mu;m处的信号下降是由于大气中二氧化碳分子的吸收。
图7中的数据表明，在中红外光谱范围内，InSb PD成功的产生了光电流。
我们得到了中红外波长范围内的响应度数据。用中红外热功率传感器（Thorlabs S401C）测量照亮InSb PD的FTIR光源的光功率，同时用皮安表检测其电流。图8所示的结果显示了一种类似于较短波长下测量的趋势，最小设备获得的响应率最高，随着面积的增加，响应度的值会下降。我们在直径为45mu;m的圆形InSb PD上测量到了在中频红外波段（0.97A/W，对应于50%的量子效率）最大的响应率。由于在带边附近发生照射，因此没有发生碰撞电离，并且观察到较低的量子效率值。钝化器件会产生较高的响应度，再次证明了钝化的优点。
我们对PD对于光的静态和动态响应做了研究，通过用Mach Zehnder调制器（来自Sumitomo Osaka Cement 公司，型号为T.MZH1.5-4
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