光子学报  2018, Vol. 47 Issue (3): 0304001  DOI: 10.3788/gzxb20184703.0304001
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引用本文  

邓洪海, 杨波, 夏辉, 邵海宝, 王强, 王志亮, 朱友华, 黄静, 李雪, 邵秀梅, 龚海梅. InGaAs探测器的盲元分析及P电极优化[J]. 光子学报, 2018, 47(3): 0304001. DOI: 10.3788/gzxb20184703.0304001.
DENG Hong-hai, YANG Bo, XIA Hui, SHAO Hai-bao, WANG Qiang, WANG Zhi-liang, ZHU You-hua, HUANG Jing, LI Xue, SHAO Xiu-mei, GONG Hai-mei. Blind Pixel Analysis of InGaAs Detector and Optimization of P Electrode[J]. Acta Photonica Sinica, 2018, 47(3): 0304001. DOI: 10.3788/gzxb20184703.0304001.

基金项目

国家自然科学基金(No.61505090),南通市科技项目(Nos.GY12015010, GY12016024),南通大学自然科学项目(Nos.14ZY003, 14ZY002, 03080666, 14Z003),江苏省六大人才项目(Nos.2016-XCL-052, 2013-XCL-013),南通智能信息技术联合研究中心开放课题基金项目(No.KFKT2016A05),江苏省高校自然科学基金(No.15KJB150023)和江苏省高等学校自然科学研究重大项目(No.17KJA470007)资助

第一作者

邓洪海(1986-), 男, 讲师, 博士, 主要研究方向为红外光电探测器技术. Email:denghonghai@ntu.edu.cn

通讯作者

王志亮(1978-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为半导体器件. Email:wangzl@ntu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2017-08-06
录用日期:2017-11-28
InGaAs探测器的盲元分析及P电极优化
邓洪海1, 杨波2, 夏辉2, 邵海宝1, 王强1, 王志亮1, 朱友华1, 黄静1, 李雪2, 邵秀梅2, 龚海梅2    
(1 南通大学 电子信息学院, 江苏 南通 226019)
(2 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料和器件重点实验室, 上海 200083)
摘要:采用扫描电容显微镜分析了平面型PIN In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As短波红外探测器盲元产生的原因,利用半导体器件仿真工具Sentaurus TCAD对探测器中的盲元特性进行了模拟,并利用制备的Au/P-In0.52Al0.48As传输线结构芯片对P电极的欧姆接触进行优化.研究结果表明,P电极与扩散区外的N--In0.52Al0.48As帽层形成导电通道导致了盲元的产生,优化后Au与P-In0.52Al0.48As帽层之间具有更低的比接触电阻为3.52×10-4 Ω·cm-2,同时Au在高温快速热退火过程中的流动被抑制,从而降低了盲元产生的概率.
关键词短波红外探测器    InGaAs    盲元    比接触电阻    Au    
中图分类号:TN362;TN215      文献标识码:A      文章编号:1004-4213(2018)03-0304001-6
Blind Pixel Analysis of InGaAs Detector and Optimization of P Electrode
DENG Hong-hai1, YANG Bo2, XIA Hui2, SHAO Hai-bao1, WANG Qiang1, WANG Zhi-liang1, ZHU You-hua1, HUANG Jing1, LI Xue2, SHAO Xiu-mei2, GONG Hai-mei2    
(1 School of Electronics and Information, Nantong University, Nantong, Jiangsu 226019, China)
(2 Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors, Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)
Foundation item: The National Natural Science Foundation of China (No. 61505090), the Science and Technology Project of Nantong (Nos. GY12015010, GY12016024), the Natural Science Project of Nantong University (Nos. 14ZY003, 14ZY002, 03080666, 14Z003), the Six Top Talents of Jiangsu Province (Nos. 2016-XCL-052, 2013-XCL-013), the Nantong Intelligent information technology Joint Research Center (No. KFKT2016A05), University Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No. 15KJB150023) and Jiangsu Provincial Department of Education (No. 17KJA470007)
Abstract: The blind pixels existing in planner PIN type In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48 As short wavelength infrared detector were analyzed with the aid of scanning capacitance microscopy technique. And the simulation of blind pixels by Sentaurus TCAD was also presented. In order to eliminate the blind pixels, the transfer line model chip was fabricated to optimize the ohmic contact of Au electrode on P-In0.52Al0.48As. The result shows that a conductive chanel formed between the P electrode and the N--In0.52Al0.48 As cap layer outside the diffusion region resultes in blind pixel generation. Fourthermore, the special contact resistivity which is 3.52×10-4 Ω·cm-2 of Au on P-In0.52Al0.48As was obatined and the problem of Au flowing occurred in rapid thermal processing was suppressed after optimization, so that the probability of blind pixels generation was reduced.
Key words: Short wavelength infrared detector    InGaAs    Blind pixel    Special contact resistivity    Au    
OCIS Codes: 040.3060;040.5160;060.2330;110.3080
0 引言

采用三元化合物In1-xGaxAs材料制备的短波红外探测器,在0.9~1.7 μm波段具有非制冷室温工作、探测率高、均匀性好等优点,是小型化、低成本和高可靠性的短波红外探测系统的最佳选择,在光学通讯、遥感、医学成像、生产过程监测、夜视等领域有广阔的应用前景[1-3].特别是In0.53Ga0.47As,因晶格常数与InP相匹配,具有更低的暗电流和噪声,其典型器件在室温下的探测率可以达到1013cm·Hz1/2·W-1.由于制备工艺、材料特性等原因,红外探测器容易出现掺杂不均、掩膜误差等现象,导致探测器像元光电特性曲线不一致,因此,红外焦平面阵列存在响应不均匀和盲元等问题[4].盲元主要包括光敏芯片和读出电路的盲元、倒装焊工艺进行互连产生的盲元以及在使用过程中性能下降产生的盲元.随着光敏芯片像元规模的扩大以及像元尺寸的减小,盲元出现的几率也大幅提高[5].如果在成像中不对盲元进行补偿剔除等有效的处理,将会严重影响红外成像质量.文献[3]报道了近红外256×1元InGaAs焦平面探测器中的无效像元问题,光敏芯片较低的零偏电阻、键压过程引入的损伤和虚焊以及钝化膜侧面覆盖较薄都会导致无效像元产生.文献[5]通过对红外焦平面阵列工艺过程的分析,确定了盲元的4种主要类型及相应的判别方法.文献[6]提出了一种将多尺度框架与回归模型相结合的自适应盲元补偿方法,建立了一套基于关键帧提取的多尺度盲元补偿手段来校正不均匀性.文献[7]第一次使用双波段红外图像盲元校正算法,以克服非均匀性校正过程中存在的图像质量缺陷.从目前国内外的文献来看,与红外焦平面阵列盲元相关的研究主要集中在盲元的判别、检测方法和补偿算法等方面,对盲元的产生机理和相应的工艺优化等方面的研究报道相对较少,研究红外焦平面探测器的盲元抑制对应用系统具有重要意义.

本文主要针对平面型InGaAs红外探测器中高温快速热退火过程(Rapid Thermal Processing,RTP)引起Au电极流动导致盲元的问题进行了研究,首先采用扫描电容显微镜(Scanning Capacitance Microscopy,SCM)对盲元进行了解理分析,然后采用Sentaurus TCAD对盲元失效现象进行了模拟验证,最后制备了Au/P-In0.52Al0.48As传输线模型(Transfer Line Mode,TLM)芯片,优化了P电极的欧姆接触工艺.

1 实验过程

本文研究的近红外InGaAs探测器为正入射平面型线列结构,以Zn3As2为扩散源采用双温区闭管扩散工艺制备而成,外延材料采用MBE(Molecular Beam Epitaxy)技术在InP衬底上依次外延生长0.5 μm的N+-In0.52Al0.48As缓冲层(Si掺杂n≈2×1018 cm-3)、2.5μm的N--In0.53Ga0.47As吸收层(Si轻掺杂n≈5×1016cm-3)、1 μm的N--In0.52Al0.48As帽层(Si轻掺杂n≈5×1016 cm-3).探测器均采用Au作为P电极和N电极,其中为了使P电极和P-In0.52Al0.48As形成良好的欧姆接触,芯片在N2气氛下经过了480℃的高温快速热退火.器件为24元线列,扩散窗口为1 000 μm×450 μm,光敏元中心距为500 μm,相邻光敏元之间设置保护环,其宽度为10 μm,保护环与光敏元之间的距离为15 μm,器件截面如图 1.

图 1 平面型InGaAs探测器结构 Fig.1 Structure of the planner InGaAs detector

采用红外探测器测试系统对多个InGaAs线列器件进行了光电性能测试,根据测试结果确定了盲元的位置.结果显示盲元的I-V特性异常,并表现为PIN结整流特性消失的漏电现象,即负向偏压下该光敏元的暗电流过大,可与正向偏置电流相比,如图 2.

图 2 盲元和正常光敏元的I-V特性 Fig.2 I-V characteristics of blind and normal pixels
2 结果及讨论 2.1 光敏芯片中盲元的SCM分析

SCM是获得PIN结在纳米尺寸上二维电学分布的重要微观表征手段[8-13],扫描图像的获得主要依赖材料表面载流子的耗尽和积累,而非本征材料中的载流子主要来源于激活的掺杂元素,在实际应用中,通过对横截面扫描就可以获得光敏元内部掺杂的结构特征.由于此系列平面型InGaAs探测器的PIN结是通过P型Zn杂质扩散来形成的,因此如果扩散工艺的稳定性出现问题使光敏元之间产生均匀性差异,可能会使器件内部形成漏电通道导致光敏元失效,基于此采用SCM对器件进行解理获取异常光敏元内部的二维掺杂分布情况.沿图 3X轴方向进行解理并对截面进行SCM测试,结果如图 4,芯片的正常像元与盲元具有相同的扩散结结构,其PIN结深度均为1.28~1.30 μm,像元扩散区与保护环扩散区之间的间隙约为12 μm.对多个盲元进行解理测试后发现,扩散工艺在不同样品和不同探测器光敏元上具有较好的均匀性,像元扩散区与保护环扩散区并没有在内部连通,因而排除了因扩散工艺差异引起漏电的可能性.

图 3 探测器解理示意图 Fig.3 Partial fracture of detector before and after cleavage
图 4 沿X轴的器件横截面SCM扫描图 Fig.4 Cross-section of detector along X axis scanned by SCM

对In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As红外探测器,P-In0.52Al0.48As帽层与Au电极之间需要进行RTP处理以形成良好的P电极欧姆接触.对盲元的光敏元表面进行光学显微镜检,如图 5.由于Au为快扩散杂质,经过高温快速热退火工艺,Au电极在In0.52Al0.48As帽层表面产生了横向流动现象,与In0.52Al0.48As互扩散并发生化学反应生成Au3In、Au10In3等In-Au化合物,如果电极流动后横向扩散到N--In0.52Al0.48As/SiNx界面,并与界面下的非P型掺杂区的N--In0.52Al0.48As帽层接触,那么器件会有2条导电通道,其中一条为正常器件的电流流经PiN的通道,而另一条则为电流流经NiN的通道(图 5(b)箭头所示).为了验证盲元的漏电区域为光敏元的电极区域,采用Sentaurus TCAD软件建立了如图 5所示NiN结漏电的器件模型,模拟采用了一些相关物理模型包括浓度依赖迁移率模型、电场依赖迁移率模型、俄歇复合模型、间接复合模型和碰撞离化模型,扩散窗口和Au电极宽度与实际器件相同,分别取450 μm和5 μm.拟合采用的吸收层的部分关键参数包括有效导带态密度和有效价带态密度、电子和空穴迁移率、电子和空穴肖克莱-里德-霍尔(Shockley-Read-Hall,SRH)寿命等,分别为2.1×1017 cm-3、7.7×1018 cm-3、10 000 cm2V-1·s-1、500 cm2V-1·s-1、7.7×10-6 s、7.7×10-6 s[14].通过计算发现理论上得到的I-V曲线与真实漏电器件的I-V曲线符合得很好,如图 6,从而验证了电流流经NiN导电通道的漏电机制,因此为了避免电极流动导致的器件失效,需要对电极的RTP工艺进行优化.

图 5 RTP后Au在P-InAlAs帽层的流动 Fig.5 Au flowing on P-InAlAs after RTP
图 6 实验I-V曲线和模拟结果 Fig.6 Comparison of experimental and simulated I-V characteristics
2.2 P型电极工艺优化

良好的欧姆接触对于器件的性能、可靠性和稳定性都至关重要,一个好的欧姆接触其比接触电阻要足够小,使得电极接触电阻与器件的电阻相比可以忽略.对于In基Ⅲ-Ⅳ族化合物半导体,P型欧姆接触要比N型难做得多,其原因一是由于材料本身的特性,空穴的有效质量要比电子的有效质量大得多,势垒高度也比N型材料高[15-16];另一原因是欧姆接触制备工艺本身的问题,与台面型InGaAs探测器采用原位掺杂的材料相比,平面型InGaAs探测器采用扩散或者离子注入成结,外延材料的掺杂情况以及表面特性更为复杂.由于Au/Zn/Au金属体系表面比较粗糙,与帽层的粘附性不好,容易在浮胶过程中从样品表面脱落,前期的工作已经将Au/Zn/Au金属体系优化为离子溅射方式生长的Au层P电极,其比接触电阻约为1.7×10-3Ω·cm-2.在平面型InGaAs探测器工艺制备过程中,生长完P型电极后,淀积一层SiNx钝化膜,能够阻止帽层中的In或As元素的向外扩散,降低InAlAs帽层表面的组分分解.

针对RTP导致P电极流动问题,制备了传输线模型芯片对扩散后P-InAlAs与Au欧姆接触特性进行研究.图 7为样品在不同退火条件下不同电极间距间的I-V曲线,样品在两种退火条件下I-V曲线均呈良好的线性,说明器件的电极接触已是良好的欧姆接触.传输线模型的比接触电阻ρc(单位:Ω·cm-2)可以表示为

$ {\rho _{\rm{c}}} = {\left( {\frac{{\partial J}}{{\partial V}}} \right)^{ - 1}}\left| {_{V = 0}} \right. = R_{\rm{c}}^2{W^2}/{R_{{\rm{sh}}}} $ (1)
图 7 不同退火温度下TLM芯片电极间I-V曲线 Fig.7 I-V curves between TLM pads annealed at different anneal temperature

式中Rc为接触电阻,Rsh为半导体材料的方块电阻,W为接触电极的宽度.2RcRsh/W分别为图 7中直线的截距和斜率.

图 8,采用式(1)线性拟合不同间距的传输线电极之间的电阻,样品在450℃和480℃的比接触电阻分别为3.52×10-4 Ω·cm-2和7.12×10-4 Ω·cm-2.与原制备工艺的快速热退火温度480℃相比,样品在450℃退火后具有更低的比接触电阻,而且电极能够保持良好的形貌,并没有出现P电极流动的现象,如图 9.

图 8I-V曲线中提取的传输线模型电极间电阻图 Fig.8 Resistance from I-V curves between TLM pads
图 9 450℃退火后照片 Fig.9 Picture of samples annealed at 450℃
3 结论

本文通过SCM微观分析和器件模拟对正照射平面型InGaAs光敏芯片的盲元进行了研究.结果表明,P型电极在高温快速热退火过程中产生了流动,导致电极与扩散区外的N--In0.52Al0.48As帽层形成导电通道,从而产生盲元.通过Au/P-In0.52Al0.48As传输芯片对P电极的欧姆接触进行了优化,实现了更低的比接触电阻,且有效抑制了P电极的流动.

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