0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器开发

MEMS 来源:红外芯闻 2024-01-18 09:13 次阅读

高速响应的中波红外探测器在自由空间光通信和频率梳光谱学等新兴领域的需求逐渐增加。中长波XBₙn势垒型红外光探测器对暗电流等散粒噪声具有抑制作用。

据麦姆斯咨询报道,近期,由中国科学院半导体研究所、昆明物理研究所、中国科学院大学和陆装驻重庆军代局驻昆明地区第一军代室组成的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为贾春阳,通讯作者为赵俊总工程师和张逸韵研究员。

本工作制备了不同直径的nBn和pBn结构的中波InAsSb/AlAsSb红外接地-信号-接地(GSG)探测器。对制备的探测器进行了变温暗电流特性,结电容特性和室温射频响应特性的表征。

材料生长、器件制备和测试

通过固态源分子束外延装置在2英寸的n型Te-GaSb衬底上外延生长nBn和pBn器件。势垒型器件的生长过程如下所示:先在衬底上生长GaSb缓冲层来平整表面以及减少应力和位错,接着生长重掺杂(10¹⁸ cm⁻³)n型InAsSb接触层,然后生长2.5 μm厚的非故意掺杂(10¹⁵ cm⁻³)InAsSb体材料吸收层。之后生长了150 nm厚的AlAsSb/AlSb数字合金电子势垒层,通过插入超薄的AlSb层实现了吸收区和势垒层的价带偏移的显著减少,有助于空穴向接触电极的传输,同时有效阻止电子以减小暗电流。最后分别生长300 nm厚的重掺杂(10¹⁸ cm⁻³)n型InAsSb和p型GaSb接触层用于形成nBn和pBn器件结构。其中,Si和Be分别被用作n型和p型掺杂源。生长后,通过原子力显微镜(D3100,Veeco,USA)和高分辨X射线衍射仪(Bede D1,United Kingdom)对晶片进行表征以确保获得高质量的材料质量。

通过激光划片将2英寸的外延片划裂为1×1 cm²的样片。样片经过标准工艺处理,包括台面定义、钝化和金属蒸镀工艺,制成直径从10 μm到100 μm的圆形台面单管探测器。台面定义工艺包括通过电感耦合等离子体(ICP)和柠檬酸基混合溶液进行的干法刻蚀和湿法腐蚀工艺,以去除器件侧壁上的离子诱导损伤和表面态。器件的金属电极需要与射频探针进行耦合来测试器件的射频响应特性,因此包括三个电极分别为Ground(接地)、Signal(信号)和Ground,其中两个Ground电极相连,与下接触层形成欧姆接触,Signal电极与上接触层形成欧姆接触,如图1(c)和(f)所示。通过低温探针台和半导体参数分析仪(Keithley 4200,America)测试器件77 K-300 K范围的电学特性。器件的光学响应特性在之前的工作中介绍过,在300 K下光电探测器截止波长约为4.8 μm,与InAsSb吸收层的带隙一致。在300 K和反向偏置为450 mV时,饱和量子效率在55%-60%。通过探针台和频率响应范围10 MHz-67 GHz的矢量网络分析仪(Keysight PNA-X N5247B,America)对器件进行射频响应特性测试。

结果与讨论

材料质量表征

图1(a)和(d)的X射线衍射谱结果显示,从左到右的谱线峰分别对应于InAsSb吸收层和GaSb缓冲层/衬底。其中,nBn和pBn外延片的InAsSb吸收区的峰值分别出现在60.69度和60.67度,GaSb衬底的峰值则出现在60.72度。因此,InAsSb吸收层与GaSb 衬底的晶格失配分别为-108 acsec和-180 acsec,符合预期,表明nBn和pBn器件的InAsSb吸收区和GaSb衬底几乎是晶格匹配的生长条件。因此,nBn和pBn外延片都具有良好的材料质量。原子力显微镜扫描的结果在图1的(b)和(e)中,显示出生长后的nBn和pBn外延片具有良好的表面形貌。在一个5×5 μm²的区域内,nBn和pBn外延片的均方根粗糙度分别为1.7 Å和2.1 Å。

e6ff943c-b552-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

图1 (a)和(a)分别为nBn和pBn外延片的X射线衍射谱;(b)和(e)分别为nBn和pBn外延片的原子力显微扫描图;(c)和(f)分别为制备的圆形GSG探测器的光学照片和扫描电子照片

器件的变温暗电流特性

图2(a)显示了器件直径90 μm的nBn和pBn探测器单管芯片的温度依赖暗电流密度-电压曲线,通过在连接到Keithley 4200半导体参数分析仪的低温探针台上进行测量。图2(b)显示了件直径90 μm的nBn和pBn探测器在77 K-300 K下的微分电阻和器件面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线,温度下降的梯度(STEP)为25 K。图2(c)显示了在400 mV反向偏压下,nBn和pBn探测器表现出的从77 K到300 K的R₀A与温度倒数(1000/T)之间的关系,温度变化的梯度(STEP)为25 K。

e7128c86-b552-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

图2 从77K到300K温度下直径90 μm的nBn和pBn探测器单管芯片(a)暗电流密度-电压曲线;(b)微分电阻和器件面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线;(c)R₀A随温度倒数变化曲线

器件暗电流的尺寸效应

由于势垒型红外探测器对于体内暗电流可以起到较好的抑制作用,因此研究人员关注与台面周长和面积有关的表面泄露暗电流,进一步抑制表面漏电流可以进一步提高探测器的工作性能。图3(a)显示了从20 μm到100 μm直径的nBn和pBn器件于室温工作的暗电流密度和电压关系,尺寸变化的梯度(STEP)为10 μm。图3(b)显示从20 μm-100 μm的nBn和pBn探测器的微分电阻和台面面积的乘积R₀A随反向偏压的变化曲线。图3(d)中pBn器件的相对平缓的拟合曲线说明了具有较高的侧壁电阻率,根据斜率的倒数计算出约为1.7×10⁴ Ω·cm。

e725a65e-b552-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

图3 从20 μm到100 μm直径的nBn和pBn器件于室温下的(a)暗电流密度和电压变化曲线和(b)R₀A随反向偏压的变化曲线;(c)在400 mV反偏时,pBn和nBn器件R₀A随台面直径的变化;(d)(R₀A)⁻¹与周长对面积(P/A)变化曲线

器件的结电容

图4(a)显示了使用Keithley 4200 CV模块在室温下不同直径的nBn和pBn探测器的结电容随反向偏压的变化曲线,器件直径从20 μm到100 μm按照10 μm梯度(STEP)变化。对于势垒层完全耗尽的pBn探测器,预期器件电容将由AlAsSb/AlSb势垒层电容和InAsSb吸收区耗尽层电容的串联组合给出,其中包括势垒层和上接触层侧的InAsSb耗尽区。

e73a2836-b552-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

图4 (a)在室温下不同直径的nBn和pBn探测器的结电容随反向偏压的变化曲线;(b)反偏400 mV下结电容与台面直径的变化曲线。

器件的射频响应特性

通过Keysight PNA-X N5247B矢量网络分析仪、探针台和飞秒激光光源,在室温和0-3 V反向偏压下,对不同尺寸的nBn和pBn探测器在10 MHz至67 GHz之间进行了射频响应特性测试。根据图5推算出在3V反向偏压下的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直径的圆形nBn和pBn红外探测器的3 dB截止频率(f3dB)。势垒型探测器内部载流子输运过程类似光电导探测器,表面载流子寿命对响应速度会产生影响。

e749df9c-b552-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

图5 在300 K下施加-3V偏压的40 μm、50 μm、70 μm、80 μm、90 μm、100 μm直径的nBn和pBn探测器的归一化频率响应图

e757a230-b552-11ee-8b88-92fbcf53809c.png

图6 不同尺寸的nBn和pBn探测器(a)3 dB截止频率随反向偏压变化曲线;(b)在3 V反向偏压下的3 dB截止频率随台面直径变化曲线

图6(a)展示了对不同尺寸的nBn和pBn探测器,在0-3 V反向偏压范围内的3 dB截止频率的结果。随着反向偏压的增大,不同尺寸的器件的3 dB带宽也随之增大。因此,在图6(a)中观察到在低反向偏压下nBn和pBn器件的响应较慢,nBn探测器的截止频率落在60MHz-320 MHz之间而pBn探测器的截止频率落在70MHz-750 MHz之间;随着施加偏压的增加,截止频率增加,nBn和pBn器件最高可以达到反向偏压3V下的2.02GHz和2.62 GHz。pBn器件的响应速度相较于nBn器件提升了约29.7%。

结论

通过分子束外延法在锑化镓衬底上生长了两种势垒型结构nBn和pBn的InAsSb/AlAsSb/AlSb基中波红外光探测器,经过台面定义、工艺钝化工艺和金属蒸镀工艺制备了可用于射频响应特性测试的GSG探测器。XRD和AFM的结果表示两种结构的外延片都具有较好的晶体质量。探测器的暗电流测试结果表明,在室温和反向偏压400 mV工作时,直径90 μm的pBn器件相较于nBn器件表现出更低的暗电流密度0.145 A/cm²,说明了该器件在室温非制冷环境下表现出低噪声。不同台面直径的探测器的暗电流测试表明,pBn器件的表面电阻率约为1.7×10⁴ Ω·cm,对照的nBn器件的表面电阻率为3.1×10³ Ω·cm,而pBn和nBn的R₀A体积项的贡献分别为16.60 Ω·cm²和5.27 Ω·cm²。

探测器的电容测试结果表明,可零偏压工作的pBn探测器具有完全耗尽的势垒层和部分耗尽的吸收区,nBn的吸收区也存在部分耗尽。探测器的射频响应特性表明,直径90 μm的pBn器件的响应速度在室温和3 V反向偏压下可达2.62 GHz,对照的nBn器件的响应速度仅为2.02 GHz,相比提升了约29.7%。初步实现了在中红外波段下可快速探测的室温非制冷势垒型光探测器,对室温中波高速红外探测器及光通讯模块提供技术路线参考。






审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 红外探测器
    +关注

    关注

    5

    文章

    289

    浏览量

    18075
  • 光通信
    +关注

    关注

    19

    文章

    877

    浏览量

    33968
  • 电感耦合
    +关注

    关注

    1

    文章

    63

    浏览量

    15873
  • 矢量网络分析仪

    关注

    2

    文章

    215

    浏览量

    21548
  • 信号接地
    +关注

    关注

    0

    文章

    11

    浏览量

    4576

原文标题:非制冷势垒型InAsSb基高速中波红外探测器

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    氧化钒探测器与HM-TM33-LG红外热成像模组:精准探测

    在现代科技领域,红外热成像技术以其独特的优势,广泛应用于军事侦察、安防监控、医疗诊断、工业检测等众多领域。这一技术的核心在于红外探测器,而高灵敏度氧化钒
    的头像 发表于 12-24 16:23 61次阅读

    被动红外探测器的特点和安装使用要求

    被动红外探测器是一种采用被动红外方式,以达到安保报警功能的探测器。其特点和安装使用要求如下: 特点 被动接收红外辐射 :
    的头像 发表于 09-20 11:43 733次阅读

    被动红外探测器接线方法

    被动红外探测器(Passive Infrared Detector,简称PIR)是一种利用人体发出的红外辐射来检测人体移动的传感。它广泛应用于家庭、办公室、商场等场所的安全监控系统中
    的头像 发表于 09-20 11:40 523次阅读

    被动红外探测器与主动红外探测器的原理比较

    被动红外探测器(Passive Infrared Detector, PIR)和主动红外探测器(Active Infrared Detector, AID)是两种常见的安全监控设备,它
    的头像 发表于 09-20 11:38 1000次阅读

    被动红外探测器和主动红外探测器的区别

    被动红外探测器和主动红外探测器是两种常见的安全监控设备,它们在防盗、监控、边界防护等方面有着广泛的应用。这两种探测器的主要区别在于它们检测
    的头像 发表于 09-20 11:35 1136次阅读

    LoRa人体红外探测器的原理

    LoRa人体活动红外探测器IDM-ET14款高可靠性的探测人体热释电红外探测器,基于LoRa无线通信技术,具有低功耗、低电压显示,防拆报警以
    的头像 发表于 08-20 15:27 334次阅读
    LoRa人体<b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>的原理

    探索红外热成像探测器的基础原理

    红外热成像探测器究竟是什么?它是如何工作的呢?让我们一起来揭秘。红外热成像探测器:神奇的热能揭示者红外
    的头像 发表于 07-03 16:06 836次阅读
    探索<b class='flag-5'>红外</b>热成像<b class='flag-5'>探测器</b>的基础原理

    制冷红外探测器的敏感材料

    红外热成像技术,这个我们在科技新闻中经常可以看到的词汇,它的应用领域非常广泛,在红外热成像技术的研究和应用中,我们不能忽视其中的一个核心元器件——红外探测器
    的头像 发表于 06-27 17:24 474次阅读
    <b class='flag-5'>非</b><b class='flag-5'>制冷</b><b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>的敏感材料

    中科院重庆研究院在可光调谐新型肖特基红外探测器研究获进展

    传统肖特基探测器可光调谐的肖特基红外探测器的对比 近日,中科院重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心在《创新》(The In
    的头像 发表于 06-25 06:27 292次阅读
    中科院重庆研究院在<b class='flag-5'>势</b><b class='flag-5'>垒</b>可光调谐新型肖特基<b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>研究获进展

    可变冷光阑红外探测器研究进展和关键技术分析综述

    为了进一步提高红外变焦光学系统的性能,兼顾其空间分辨率和灵敏度的要求,基于可变冷光阑技术的制冷变F数红外探测器需求迫切。
    的头像 发表于 05-27 10:02 697次阅读
    可变冷光阑<b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>研究进展和关键技术分析综述

    上海工研院成功量产多款制冷红外探测器产品

    来源:上海微技术工研院 近年来,随着集成电路技术和微机电系统(MEMS)技术的飞速发展,制冷红外焦平面阵列探测器技术日趋成熟,系列化产品也逐步实现大规模量产。上海工研院聚焦“超越摩尔
    的头像 发表于 05-13 16:42 393次阅读
    上海工研院成功量产多款<b class='flag-5'>非</b><b class='flag-5'>制冷</b><b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>产品

    LoRa人体活动红外探测器的原理

    LoRa人体活动红外探测器IDM-ET14款高可靠性的探测人体热释电红外探测器,基于LoRa无线通信技术,具有低功耗、低电压显示,防拆报警以
    的头像 发表于 05-13 09:34 590次阅读
    LoRa人体活动<b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>的原理

    中长波红外探测器的特点及发展现状

    (GSD)、探测距离和噪声等效温差(NETD)等关键性能指标的综合分析,厘清其与红外探测器相关参数的关联,进而具体分析像元间距、探测器NETD、探测
    的头像 发表于 01-19 11:14 3368次阅读
    中长波<b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>的特点及发展现状

    中波红外量子点材料及其光电探测器研究分析

    中波红外量子点材料的成功制备是量子点在中波红外波段诸如军事国防、工业监控和环境监测等实际场景实现应用的重要前提,而自量子点被发现可应用于中波
    发表于 01-05 09:28 1130次阅读
    <b class='flag-5'>中波</b><b class='flag-5'>红外</b>量子点材料及其光电<b class='flag-5'>探测器</b>研究分析

    什么是红外辐射?红外探测器的分类

    红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波,人眼察觉不到,红外探测器是可以将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件,帮助人们看见未知的世界。本文将从分类、波段、材料等方面带大家详细了
    的头像 发表于 01-02 09:56 1902次阅读
    什么是<b class='flag-5'>红外</b>辐射?<b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>的分类