高速響應的中波紅外探測器在自由空間光通信和頻率梳光譜學等新興領域的需求逐漸增加。中長波XB?n勢壘型紅外光探測器對暗電流等散粒噪聲具有抑制作用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，由中國科學院半導體研究所、昆明物理研究所、中國科學院大學和陸裝駐重慶軍代局駐昆明地區第一軍代室組成的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“非制冷勢壘型InAsSb基高速中波紅外探測器”為主題的文章。該文章第一作者為賈春陽，通訊作者為趙俊總工程師和張逸韻研究員。

本工作制備了不同直徑的nBn和pBn結構的中波InAsSb/AlAsSb紅外接地-信號-接地（GSG）探測器。對制備的探測器進行了變溫暗電流特性，結電容特性和室溫射頻響應特性的表征。

材料生長、器件制備和測試

通過固態源分子束外延裝置在2英寸的n型Te-GaSb襯底上外延生長nBn和pBn器件。勢壘型器件的生長過程如下所示：先在襯底上生長GaSb緩沖層來平整表面以及減少應力和位錯，接著生長重摻雜（101? cm?3）n型InAsSb接觸層，然后生長2.5 μm厚的非故意摻雜（101? cm?3）InAsSb體材料吸收層。之后生長了150 nm厚的AlAsSb/AlSb數字合金電子勢壘層，通過插入超薄的AlSb層實現了吸收區和勢壘層的價帶偏移的顯著減少，有助于空穴向接觸電極的傳輸，同時有效阻止電子以減小暗電流。最后分別生長300 nm厚的重摻雜（101? cm?3）n型InAsSb和p型GaSb接觸層用于形成nBn和pBn器件結構。其中，Si和Be分別被用作n型和p型摻雜源。生長后，通過原子力顯微鏡（D3100，Veeco，USA）和高分辨X射線衍射儀（Bede D1，United Kingdom）對晶片進行表征以確保獲得高質量的材料質量。

通過激光劃片將2英寸的外延片劃裂為1×1 cm2的樣片。樣片經過標準工藝處理，包括臺面定義、鈍化和金屬蒸鍍工藝，制成直徑從10 μm到100 μm的圓形臺面單管探測器。臺面定義工藝包括通過電感耦合等離子體（ICP）和檸檬酸基混合溶液進行的干法刻蝕和濕法腐蝕工藝，以去除器件側壁上的離子誘導損傷和表面態。器件的金屬電極需要與射頻探針進行耦合來測試器件的射頻響應特性，因此包括三個電極分別為Ground（接地）、Signal（信號）和Ground，其中兩個Ground電極相連，與下接觸層形成歐姆接觸，Signal電極與上接觸層形成歐姆接觸，如圖1（c）和（f）所示。通過低溫探針臺和半導體參數分析儀（Keithley 4200，America）測試器件77 K-300 K范圍的電學特性。器件的光學響應特性在之前的工作中介紹過，在300 K下光電探測器截止波長約為4.8 μm，與InAsSb吸收層的帶隙一致。在300 K和反向偏置為450 mV時，飽和量子效率在55%-60%。通過探針臺和頻率響應范圍10 MHz-67 GHz的矢量網絡分析儀（Keysight PNA-X N5247B，America）對器件進行射頻響應特性測試。

結果與討論

材料質量表征

圖1（a）和（d）的X射線衍射譜結果顯示，從左到右的譜線峰分別對應于InAsSb吸收層和GaSb緩沖層/襯底。其中，nBn和pBn外延片的InAsSb吸收區的峰值分別出現在60.69度和60.67度，GaSb襯底的峰值則出現在60.72度。因此，InAsSb吸收層與GaSb 襯底的晶格失配分別為-108 acsec和-180 acsec，符合預期，表明nBn和pBn器件的InAsSb吸收區和GaSb襯底幾乎是晶格匹配的生長條件。因此，nBn和pBn外延片都具有良好的材料質量。原子力顯微鏡掃描的結果在圖1的（b）和（e）中，顯示出生長后的nBn和pBn外延片具有良好的表面形貌。在一個5×5 μm2的區域內，nBn和pBn外延片的均方根粗糙度分別為1.7 ?和2.1 ?。

圖1 （a）和（a）分別為nBn和pBn外延片的X射線衍射譜；（b）和（e）分別為nBn和pBn外延片的原子力顯微掃描圖；（c）和（f）分別為制備的圓形GSG探測器的光學照片和掃描電子照片

器件的變溫暗電流特性

圖2（a）顯示了器件直徑90 μm的nBn和pBn探測器單管芯片的溫度依賴暗電流密度-電壓曲線，通過在連接到Keithley 4200半導體參數分析儀的低溫探針臺上進行測量。圖2（b）顯示了件直徑90 μm的nBn和pBn探測器在77 K-300 K下的微分電阻和器件面積的乘積R?A隨反向偏壓的變化曲線，溫度下降的梯度（STEP）為25 K。圖2（c）顯示了在400 mV反向偏壓下，nBn和pBn探測器表現出的從77 K到300 K的R?A與溫度倒數（1000/T）之間的關系，溫度變化的梯度（STEP）為25 K。

圖2 從77K到300K溫度下直徑90 μm的nBn和pBn探測器單管芯片（a）暗電流密度-電壓曲線；（b）微分電阻和器件面積的乘積R?A隨反向偏壓的變化曲線；（c）R?A隨溫度倒數變化曲線

器件暗電流的尺寸效應

由于勢壘型紅外探測器對于體內暗電流可以起到較好的抑制作用，因此研究人員關注與臺面周長和面積有關的表面泄露暗電流，進一步抑制表面漏電流可以進一步提高探測器的工作性能。圖3（a）顯示了從20 μm到100 μm直徑的nBn和pBn器件于室溫工作的暗電流密度和電壓關系，尺寸變化的梯度（STEP）為10 μm。圖3（b）顯示從20 μm-100 μm的nBn和pBn探測器的微分電阻和臺面面積的乘積R?A隨反向偏壓的變化曲線。圖3（d）中pBn器件的相對平緩的擬合曲線說明了具有較高的側壁電阻率，根據斜率的倒數計算出約為1.7×10? Ω·cm。

圖3 從20 μm到100 μm直徑的nBn和pBn器件于室溫下的（a）暗電流密度和電壓變化曲線和（b）R?A隨反向偏壓的變化曲線；（c）在400 mV反偏時，pBn和nBn器件R?A隨臺面直徑的變化；（d）（R?A）?1與周長對面積（P/A）變化曲線

器件的結電容

圖4（a）顯示了使用Keithley 4200 CV模塊在室溫下不同直徑的nBn和pBn探測器的結電容隨反向偏壓的變化曲線，器件直徑從20 μm到100 μm按照10 μm梯度（STEP）變化。對于勢壘層完全耗盡的pBn探測器，預期器件電容將由AlAsSb/AlSb勢壘層電容和InAsSb吸收區耗盡層電容的串聯組合給出，其中包括勢壘層和上接觸層側的InAsSb耗盡區。

圖4 （a）在室溫下不同直徑的nBn和pBn探測器的結電容隨反向偏壓的變化曲線；（b）反偏400 mV下結電容與臺面直徑的變化曲線。

器件的射頻響應特性

通過Keysight PNA-X N5247B矢量網絡分析儀、探針臺和飛秒激光光源，在室溫和0-3 V反向偏壓下，對不同尺寸的nBn和pBn探測器在10 MHz至67 GHz之間進行了射頻響應特性測試。根據圖5推算出在3V反向偏壓下的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直徑的圓形nBn和pBn紅外探測器的3 dB截止頻率（f3dB）。勢壘型探測器內部載流子輸運過程類似光電導探測器，表面載流子壽命對響應速度會產生影響。

圖5 在300 K下施加-3V偏壓的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直徑的nBn和pBn探測器的歸一化頻率響應圖

圖6 不同尺寸的nBn和pBn探測器（a）3 dB截止頻率隨反向偏壓變化曲線；（b）在3 V反向偏壓下的3 dB截止頻率隨臺面直徑變化曲線

圖6（a）展示了對不同尺寸的nBn和pBn探測器，在0-3 V反向偏壓范圍內的3 dB截止頻率的結果。隨著反向偏壓的增大，不同尺寸的器件的3 dB帶寬也隨之增大。因此，在圖6（a）中觀察到在低反向偏壓下nBn和pBn器件的響應較慢，nBn探測器的截止頻率落在60MHz-320 MHz之間而pBn探測器的截止頻率落在70MHz-750 MHz之間；隨著施加偏壓的增加，截止頻率增加，nBn和pBn器件最高可以達到反向偏壓3V下的2.02GHz和2.62 GHz。pBn器件的響應速度相較于nBn器件提升了約29.7%。

結論

通過分子束外延法在銻化鎵襯底上生長了兩種勢壘型結構nBn和pBn的InAsSb/AlAsSb/AlSb基中波紅外光探測器，經過臺面定義、工藝鈍化工藝和金屬蒸鍍工藝制備了可用于射頻響應特性測試的GSG探測器。XRD和AFM的結果表示兩種結構的外延片都具有較好的晶體質量。探測器的暗電流測試結果表明，在室溫和反向偏壓400 mV工作時，直徑90 μm的pBn器件相較于nBn器件表現出更低的暗電流密度0.145 A/cm2，說明了該器件在室溫非制冷環境下表現出低噪聲。不同臺面直徑的探測器的暗電流測試表明，pBn器件的表面電阻率約為1.7×10? Ω·cm，對照的nBn器件的表面電阻率為3.1×103 Ω·cm，而pBn和nBn的R?A體積項的貢獻分別為16.60 Ω·cm2和5.27 Ω·cm2。

探測器的電容測試結果表明，可零偏壓工作的pBn探測器具有完全耗盡的勢壘層和部分耗盡的吸收區，nBn的吸收區也存在部分耗盡。探測器的射頻響應特性表明，直徑90 μm的pBn器件的響應速度在室溫和3 V反向偏壓下可達2.62 GHz，對照的nBn器件的響應速度僅為2.02 GHz，相比提升了約29.7%。初步實現了在中紅外波段下可快速探測的室溫非制冷勢壘型光探測器，對室溫中波高速紅外探測器及光通訊模塊提供技術路線參考。

審核編輯：劉清