中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
非本征硅阻擋雜質(zhì)帶（BIB）紅外探測(cè)器因其超寬光譜、極低暗電流、高量子效率、超大規(guī)模陣列等優(yōu)勢(shì)成為甚長波紅外（> 14 μm）天文觀測(cè)、深空探測(cè)的核心元器件。BIB探測(cè)器結(jié)構(gòu)由高濃度摻雜的吸收層和本征阻擋層組成，近平衡態(tài)外延高溫誘導(dǎo)摻雜元素?cái)U(kuò)散，將致使吸收層和阻擋層之間過渡層展寬，非連續(xù)雜質(zhì)局域態(tài)缺陷將引入產(chǎn)生-復(fù)合暗電流。因此，如何實(shí)現(xiàn)理想過渡界面和揭示界面影響成為亟待解決的問題之一。
中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王鵬青年研究員和胡偉達(dá)研究員的研究團(tuán)隊(duì)基于分子束外延（MBE）生長動(dòng)力學(xué)提出一種溫度調(diào)控?fù)诫s界面構(gòu)筑方法，利用Si和Ga原子熱敏感性差異，并通過抑制腔體記憶效應(yīng)和表面遲滯效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)Si:Ga摻雜濃度101?-101? cm?3可調(diào)可控，且摻雜界面小于百納米尺度。
相關(guān)研究成果以“Sharp Interface Blocked Impurity Band Very Long-Wavelength Infrared Photodetector With High-Temperature Epitaxy”為題，發(fā)表在IEEE Electron Device Letters期刊上。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所博士郭家祥、張濤為本文共同第一作者。該工作獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目支持。
在MBE生長阻擋雜質(zhì)帶結(jié)構(gòu)中需確定三個(gè)關(guān)鍵因素：低溫（LT）沉積、高溫（HT）解吸以及吸收層和阻擋層之間的擴(kuò)散。圖1(a)中的 (I) and (II) 表明，在較低的襯底溫度下，更多的蒸發(fā)原子被吸附，而具有較低粘附系數(shù)的原子在較高的襯底溫度下首先解吸。在高摻雜濃度吸收層之后，本征阻擋層開始生長。如圖1(a) (III) 所示，需要考慮吸收層和阻擋層之間的擴(kuò)散。襯底溫度和延長生長時(shí)間會(huì)導(dǎo)致更寬的濃度梯度界面。
圖1 （a）MBE動(dòng)態(tài)生長過程示意圖；（b）Ga蒸發(fā)到襯底表面的速率和利用率；（c）不同襯底溫度下的Ga原子粘滯系數(shù)；（d）不同Ga晶胞溫度下的Ga濃度曲線。
圖2(a) 展示了Ga晶胞快門關(guān)閉后不同襯底溫度下的濃度變化?？刂艷a的低粘附系數(shù)對(duì)于阻擋層外延生長過程中的界面調(diào)制至關(guān)重要。圖2(b)顯示了通過粘附系數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的帶有界面層的BIB結(jié)構(gòu)。
圖2 （a）不同襯底溫度下的濃度變化；（b）實(shí)現(xiàn)了尖銳的界面BIB結(jié)構(gòu)；（c）退火前后的Ga濃度分布曲線；（d）TCAD對(duì)平衡狀態(tài)下不同界面層寬度電場(chǎng)分布的定性模擬結(jié)果。
圖3（a）顯示了利用高分辨率X射線衍射（HR-XRD）分析對(duì)厚度為13 μm的外延生長BIB結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征和測(cè)試的結(jié)果。圖3（b）顯示了BIB結(jié)構(gòu)界面層區(qū)域沿[011]區(qū)軸線的高分辨率透射電子顯微鏡（HR-TEM）圖像和選區(qū)電子衍射圖（SADP）。分析結(jié)果證實(shí)了晶片的高質(zhì)量單晶特性。圖3（c）展示了濃度、遷移率和溫度之間的關(guān)系，范圍從10 K到300 K。
圖3 （a）(400) 平面的HR-XRD搖振曲線；（b）吸收層薄膜IL中的HR-TEM圖像；（c）濃度和遷移率隨溫度變化的曲線；（d）吸收系數(shù)隨溫度變化的曲線。
利用晶圓制備BIB光電探測(cè)器。光電探測(cè)器的原理圖如圖4（a）所示。如圖4（b）所示，使用4200A-SCS測(cè)量了不同溫度下的暗電流。圖4（d）展示了使用傅立葉變換紅外光譜儀獲得的光電探測(cè)器在不同溫度下工作時(shí)的光譜響應(yīng)。
圖4 （a）BIB光電探測(cè)器示意圖；（b）不同溫度下的I-V曲線；（c）不同溫度下的檢測(cè)率；（d）BIB的光譜響應(yīng)。
這項(xiàng)研究澄清了Ga原子負(fù)溫度黏附系數(shù)并計(jì)算得到表觀活化能為2.25 eV，研究了耗盡區(qū)穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)分布與界面寬度關(guān)系，揭示尖端界面電場(chǎng)的存在，陡峭界面將有效提高吸收層耗盡區(qū)寬度和電場(chǎng)強(qiáng)度，極大抑制產(chǎn)生-復(fù)合暗電流?；谠摲椒ㄖ苽涞恼缑鍮IB紅外探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)探測(cè)波長達(dá)20 μm，暗電流低至pA量級(jí)水平。這項(xiàng)研究為推動(dòng)我國甚長波紅外材料與器件自主可控和空間暗弱目標(biāo)探測(cè)能力發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。
