Super-réseau InAs/GaSb P⁺–π–M⁺ à haute performance, prétraité par vulcanisation anodique et grille, pour la détection infrarouge à longue longueur d'onde

Résumé

Le détecteur infrarouge à super-réseau InAs/GaSb a été développé avec un effort considérable. Toutefois, ses performances, notamment pour les détecteurs infrarouges à longue longueur d'onde (LWIR), restent limitées par les performances électriques et le rendement quantique optique (RQ). Forcer la région active à être de type p par un dopage approprié peut améliorer considérablement le RQ, et la technique de grille permet d'améliorer grandement les performances électriques. Cependant, la tension de polarisation de saturation est trop élevée. La réduction de cette tension offre de vastes perspectives pour les futurs dispositifs à commande par tension de grille. Dans cet article, nous rapportons que les détecteurs LWIR P⁺–π–M–N⁺ à super-réseau InAs/GaSb, dotés d'une grille et présentant différents niveaux de dopage de la région π, exhibent une tension de polarisation de saturation minimale réduite à −10 V avec une couche de SiO₂ de 200 nm après un prétraitement par vulcanisation anodique simple et efficace. Cette tension de polarisation de grille de saturation est bien inférieure à −40 V, rapportée pour la même épaisseur de couche de passivation SiO₂ de 200 nm et une structure similaire. La caractérisation optique et électrique indique que les performances électriques et optiques du dispositif seraient affaiblies par une concentration de dopage excessive. À 77 K, la longueur d'onde de coupure à 50 % du dispositif est d'environ 8 µm, celle à 100 % est de 10 µm, le rendement quantique maximal est de 62,4 %, la responsivité maximale est de 2,26 A/W à 5 µm, et le produit RA maximal du dispositif est de 1259,4 Ω cm². Par ailleurs, la détectivité spécifique du détecteur dopé au Be à 780 °C sans électrode de grille atteint un pic de 5,6 × 10¹⁰ cm Hz¹/²/W à 5 µm avec une tension de polarisation inverse de 70 mV, soit plus de trois fois celle du détecteur dopé au Be à 820 °C. De plus, la détectivité spécifique de pointe pourrait être encore augmentée à 1,3 × 10¹¹ cm Hz¹/²/W à 5 µm avec une tension de polarisation de réserve de 10 mV sous une polarisation de grille de −10 V.

Introduction

Les super-réseaux à couches déformées de type II (T2SL) sont devenus un axe majeur de la recherche depuis que Sai-Halasz et al. [1] en ont proposé le concept. Des détecteurs infrarouges à haute performance peuvent être obtenus en concevant soigneusement la structure de bande et la contrainte des T2SL [2]. Le super-réseau InAs/GaSb, membre bien étudié des T2SL, est un système de matériaux prometteur pour les détecteurs infrarouges [3]. Malgré d'importants efforts de développement, les performances des détecteurs LWIR restent limitées par les caractéristiques électriques et le rendement quantique optique (RQ) [4]. La température ambiante correspondante (au sol) pour un détecteur LWIR est d'environ 300 K, ce qui correspond à une longueur d'onde de pic de 9,6 µm (centre de la fenêtre de transmission atmosphérique LWIR) et offre un large éventail d'applications [5]. Il est largement utilisé dans la détection de gaz, la vision nocturne, l'alerte infrarouge précoce, la télédétection infrarouge et le guidage infrarouge, non seulement à des fins militaires mais aussi dans la vie quotidienne. La fabrication de détecteurs infrarouges à longue longueur d'onde à haute performance est à la fois cruciale et stimulante.

La conception structurelle et la préparation du procédé influencent significativement les performances du détecteur LWIR. L'augmentation de l'épaisseur de la région active semblait être le moyen le plus direct d'améliorer le RQ. Cependant, cela introduit davantage de centres de piégeage, dégradant les caractéristiques électriques. Dans les détecteurs LWIR et très longue longueur d'onde (VLWIR), la couche InAs tend à être plus épaisse que la couche GaSb, rendant le matériau de type n (porteurs minoritaires : trous). Forcer la région active à être de type p par un dopage approprié peut augmenter considérablement le RQ sans modifier la taille de la région du dispositif [6]. Toutefois, une concentration de dopage plus élevée n'améliore pas nécessairement les performances. En particulier, les performances électriques [7] et optiques peuvent être affaiblies par un dopage excessif.

Outre la modification de la concentration de dopage dans la région π, la technique de grille a été appliquée récemment aux détecteurs infrarouges à longueur d'onde moyenne (MWIR) et LWIR [8] pour améliorer les performances. Cependant, elle nécessite une tension de polarisation de grille très élevée. Cette tension peut être exprimée par l'équation (1) :

$$\sigma = \varepsilon \varepsilon_{0} V/d$$ (1)

où \(\varepsilon\) est la constante diélectrique relative de la couche diélectrique, \(\varepsilon_{0}\) la constante diélectrique du vide, V la tension de polarisation de grille de saturation, d l'épaisseur de la couche diélectrique, et \(\sigma\) la densité de charge à l'interface. Des efforts ont été faits pour réduire la tension de grille selon cette formule, notamment l'utilisation de diélectriques à haute permittivité (high-k) comme Y₂O₃ [9] ou la réduction de l'épaisseur de la couche [10]. Cependant, peu de recherches visent à réduire la densité de charge. Dans cet article, l'anodisation est utilisée pour la première fois afin de réduire significativement la tension de saturation. Un mélange de NaS₂·5H₂O et d'éthylène glycol sert de solution de vulcanisation. Durant le processus de vulcanisation anodique, la combinaison d'atomes de soufre avec les liaisons pendantes à la surface du dispositif ferme les canaux conducteurs de surface [11], réduit la recombinaison de surface et affaiblit la densité de charge de surface. On obtient alors une couche dense et uniforme de soufre élémentaire, recouverte ensuite d'une couche de SiO₂ de 200 nm. L'électrode de grille est placée sur cette couche. La tension de polarisation de grille de saturation diminue avec la réduction de la densité de charge à l'interface.

Dans cette étude, des détecteurs LWIR P⁺–π–M–N⁺ prétraités par vulcanisation anodique sont fabriqués sous une faible tension de polarisation de grille de saturation, basés sur des T2SL InAs/GaSb avec différents dopages de la région π. Les résultats montrent qu'une concentration de dopage plus élevée n'améliore pas nécessairement les performances ; un dopage excessif les dégrade. De plus, le prétraitement par vulcanisation anodique réduit significativement la tension de grille à −10 V, bien inférieure aux ~40 V rapportés pour une structure similaire avec la même épaisseur de SiO₂ sans vulcanisation.

Méthodes

Matériaux et structure

Les matériaux sont produits par un système MBE GEN 20 à source solide sur des substrats GaSb (001) de type n de 2 pouces. Le détecteur LWIR à haute performance repose sur une structure P⁺–π–M–N⁺. Un schéma des dispositifs, les diagrammes de diffraction X à haute résolution (HRXRD) et la microscopie à force atomique (AFM) sont illustrés aux Figures 1 et 2. La Figure 1 montre une structure composée d'un tampon GaSb P⁺ de 1300 nm, suivi d'une région P⁺ de 500 nm (8 ML InAs / 12 ML GaSb, Be : ~1 × 10¹⁸ cm⁻³), d'une région π de 2000 nm légèrement dopée P (12 ML InAs (Be : 780 °C, 800 °C, 820 °C) / 7 ML GaSb), d'une région M de 500 nm non dopée (18 ML InAs / 3 ML GaSb / 5 ML AlSb / 3 ML GaSb), d'une région N⁺ de 500 nm (18 ML InAs / 3 ML GaSb / 5 ML AlSb / 3 ML GaSb, Si : ~1 × 10¹⁸ cm⁻³), et d'une couche de couverture InAs N⁺ de 30 nm. L'alignement de bande simulé est également présenté. Considérant l'influence significative du dopage de la région π sur les performances, trois échantillons sont préparés avec des températures de dopage au Be variant de 780 à 820 °C.

Structure épitaxiale et alignement de bande des matériaux avec différents niveaux de dopage de la région π

Courbes de balancement HRXRD pour échantillons avec différents niveaux de dopage de la région π

Les périodes de super-réseau de 59,3 Å, 58,4 Å et 89,5 Å pour les régions contact P⁺, région active P⁺ et couche de structure M, avec des désaccords de réseau de 60 sec d'arc, 0 sec d'arc et 0 sec d'arc respectivement, sont présentées à la Figure 2. La largeur à mi-hauteur pour les SL de chaque région est de 32, 25 et 12 sec d'arc, indiquant des interfaces de haute qualité.

La Figure 3 montre des marches atomiques avec une rugosité quadratique moyenne (RMS) de 1,87 Å sur une zone de 10 × 10 µm.

AFM d'une zone de 10 × 10 µm² d'un échantillon

Structure du dispositif et fabrication

Le procédé est similaire à la référence [12]. D'abord, la wafer est recouverte de SiO₂ comme masque dur. Ensuite, des étapes de lithographie standard sont effectuées, suivies de l'ouverture du masque dur par gravure ICP. Le mésa est obtenu par gravure ICP avec un mélange CH₄/Cl₂/Ar, de la couche supérieure jusqu'au contact P⁺ [12]. Le SiO₂ résiduel est retiré. Un côté de la wafer est immergé dans une solution mixte de sulfure de sodium et d'éthylène glycol, puis un courant constant est appliqué avec une tension seuil. Une couche d'atomes de soufre se forme à la surface du film, modifiant la résistance. La tension augmente jusqu'au seuil, marquant la fin de la vulcanisation. La couche de soufre élémentaire est ensuite recouverte de 200 nm de SiO₂. Une nouvelle lithographie ouvre des fenêtres à travers le SiO₂ et le soufre pour les contacts métalliques supérieur et inférieur. Une autre lithographie avec deux formes d'électrodes est réalisée : une pour la diode à grille (GD) et l'autre pour la diode sans grille (UGD). Ti (50 nm)/Pt (50 nm)/Au (300 nm) est déposé par pulvérisation à faisceau d'électrons. Enfin, les électrodes supérieure, inférieure et de grille sont obtenues par lift-off métallique.

Schéma de la structure de la diode à grille (GD)

L'angle d'inclinaison de la gravure peut être ajusté via la puissance ICP, la puissance RF, le débit de gaz et la pression de la chambre. Dans cette étude, l'angle réel du flanc est entre 80° et 85° pour faciliter le dépôt du contact de grille sur le flanc. L'électrode de grille est placée sur le flanc de la couche SiO₂.

Image du dispositif au microscope optique

La Figure 5 montre que la moitié des diodes sont déposées en GD sur les trois dies (dopage Be 780 °C, 800 °C, 820 °C). On obtient ainsi les diodes à grille (GD) et sans grille (UGD) : échantillon A (780 °C GD), B (780 °C UGD), C (800 °C GD), D (800 °C UGD), E (820 °C GD), F (820 °C UGD).

Résultats et Discussion

La détectivité spécifique (D*) caractérise habituellement les performances des détecteurs infrarouges, calculée par l'équation (2) :

$$D^{*} = \frac{Ri}{{\sqrt {2qJ + 4\frac{kT}{{RA}}} }}$$ (2)

où q est la charge électronique, K la constante de Boltzmann, T la température en Kelvin, Ri la responsivité, J la densité de courant obscur, et RA le produit résistance-surface. J et RA caractérisent les performances électriques ; Ri peut être converti en RQ par l'équation (3) :

$$QE = \frac{hC}{{q\lambda }}Ri$$ (3)

où \(h\) est la constante de Planck, \(C\) la vitesse de la lumière, \(\lambda\) la longueur d'onde. La Figure 6 présente les caractéristiques optiques des échantillons avec différents dopages π à 77 K. Tous ont une longueur d'onde de coupure à 50 % de 8 µm et à 100 % de 10 µm. Bien que le changement de type de dopage en type p augmente le RQ et la responsivité, ce n'est pas proportionnel à la température de dopage. Le RQ et la responsivité diminuent significativement avec l'augmentation de la concentration de dopage. Pour les T2SL, la température de dopage pendant la croissance est critique : plus elle est élevée, plus la concentration l'est. Le RQ maximal de 62,4 % est atteint à 780 °C, soit 1,5 fois celui à 820 °C. L'excès d'impuretés réduit la durée de vie des porteurs en excès et la longueur de diffusion, diminuant RQ et responsivité [6], causant aussi un décalage spectral vers le rouge (Figure 6a). Les Figures 6a et b confirment que 780 °C est la température optimale pour les performances optiques, avec une responsivité de pointe de 2,26 A/W à 5 µm et un RQ de pointe de 62,4 %.

Caractéristiques optiques des échantillons avec différents niveaux de dopage de la région π à 77 K

La Figure 7 montre les caractéristiques électriques des échantillons UGD à 77 K. Les performances électriques sont fortement affectées par la concentration de dopage π [7]. Avec l'augmentation du dopage π, le produit RA à polarisation donnée diminue et la densité de courant obscur augmente. Similaire à la référence [6], RA atteint son maximum près de 0 V avec une rupture douce en polarisation inverse, suggérant un mode de courant obscur par tunneling. Le RA maximal de 1259,4 Ω cm² est obtenu pour Be 780 °C à −200 mV, près de 40 fois celui de Be 820 °C. La Figure 7b montre que la densité de courant obscur est similaire en polarisation négative entre −0,1 et 0 V, celle pour Be 780 °C étant légèrement inférieure. Le courant obscur est de 4,9 × 10⁻³ A/cm² pour Be 780 °C à −70 mV.

Caractéristiques électriques des échantillons UGD avec différents niveaux de dopage de la région π à 77 K

La Figure 8 présente la détectivité des échantillons UGD. À −30 mV, la détectivité de pointe est de 5,6 × 10¹⁰ cm Hz¹/²/W à 5 µm pour Be 780 °C, contre 3,8 × 10¹⁰ pour Be 820 °C. Le rapport est de 1,5. Un dopage approprié est donc crucial ; un excès dégrade les performances.

Corrélation entre la détectivité spécifique à 77 K des échantillons UGD et la longueur d'onde selon le dopage π

La Figure 9 montre les caractéristiques électriques de l'échantillon GD dopé Be 780 °C à 77 K. Contrairement aux dispositifs classiques à commande de grille, un prétraitement par vulcanisation anodique est ici utilisé pour réduire drastiquement la tension de saturation de grille. Un mélange NaS₂·5H₂O / éthylène glycol sert de solution vulcanisante. La passivation par vulcanisation anodique forme une couche dense et uniforme de soufre élémentaire. Durant la réaction électrochimique, les atomes de soufre se combinent aux liaisons pendantes de surface, fermant les canaux électroniques générés par celles-ci et isolant le mécanisme de recombinaison surface électron-trous [11]. La couche de soufre est recouverte de 200 nm de SiO₂ protecteur, l'électrode de grille étant placée sur le flanc. Selon des recherches antérieures, la tension de saturation est quasi-linéaire avec l'épaisseur de la couche diélectrique. La Figure 9 suggère que la tension de saturation peut être réduite à environ −10 V par ce prétraitement simple et efficace, soit quatre fois moins que les ~40 V rapportés sans vulcanisation pour une structure similaire avec la même épaisseur de SiO₂ [10]. Le RA atteint 25 Ω cm² près de 0 V. La tendance à la baisse ralentit significativement sous une tension de grille d'environ −10 V. À −10 V de grille, RA est de 10 Ω cm² à −0,3 V (40 fois la valeur sans polarisation) et près de deux ordres de grandeur inférieur à −0,6 V. La Figure 9b indique un courant obscur minimal de 2 × 10⁻⁴ A/cm² près de 0 V, réduit d'un ordre de grandeur à −0,3 V. La courbe IV ne change pas avec la polarisation de grille à 0 V quand la polarisation est positive. Le RA augmente significativement quand la tension de grille passe de 0 à −10 V, le courant obscur diminuant. Entre −10 et −20 V, RA diminue légèrement et le courant obscur augmente. À haute polarisation inverse (ex. −1 V), le courant obscur diminue avec la polarisation de grille puis augmente légèrement au-delà de −12 V. Ceci est dû aux caractéristiques de la polarisation de grille. Pour une faible polarisation inverse (ex. −0,1 V), le courant obscur semble augmenter avec la polarisation de grille, comportement totalement différent de celui à −1 V. Selon la polarisation inverse, le mécanisme de fuite principal diffère. Pour une faible polarisation, une haute polarisation de grille a une influence négative (diffusion de surface d'électrons chauds). Pour une forte polarisation, la fuite diminue (courant de fuite de surface réduit).

Caractéristiques électriques des échantillons GD dopés Be 780 °C sous différentes tensions de polarisation de grille et polarisation diode

Corrélation entre la densité de courant obscur inverse et la polarisation de grille de l'échantillon GD dopé Be 780 °C à différentes polarisations de fonctionnement

La Figure 10 illustre qu'à haute polarisation inverse (ex. −1 V), le courant obscur diminue avec la polarisation de grille puis augmente légèrement au-delà de −12 V ; le dispositif passe par trois étapes avec le changement de tension de grille à 77 K [10]. Selon la référence [13], les régions P⁺ et N⁺ de la structure P⁺–π–M–N⁺ sont fortement dopées, la région M ayant une bande plus large et une masse effective plus grande que les régions π et P⁺ ; la polarisation de grille influence donc davantage la région π [13]. En utilisant une méthode similaire à Chen [10], trois étapes sont analysées lors de l'application d'une haute tension négative (−20 à −10 V) sur la grille : le flanc du mésa est en condition plate ou accumulation [8], le courant obscur augmentant légèrement à cause de l'interface de vulcanisation (soupçon d'inhomogénéité de densité légère, rupture partielle). Sous tension négative (−10 à −2 V), le flanc entre en déplétion, le courant obscur augmentant régulièrement. La largeur de déplétion induite par le champ atteint son maximum et une couche d'inversion se forme à −2 V vers polarisation positive ; la densité de courant obscur reste constante. La référence [14] explique pourquoi le courant de génération-récombination (G-R) de surface à −0,5 V est plus grand qu'à −0,3 V.

La Figure 11 montre qu'avec une polarisation de grille à −10 V, la détectivité D* de l'échantillon GD dopé Be 780 °C atteint un pic de 1,3 × 10¹¹ cm Hz¹/²/W à 5 µm, soit plus du double de la valeur sans polarisation pour Be 780 °C et plus de trois fois celle sans polarisation pour Be 820 °C à 77 K. L'application d'une polarisation négative appropriée améliore donc significativement les performances.

Corrélation entre la détectivité de l'échantillon GD dopé Be 780 °C et des échantillons UGD avec différents dopages π selon la longueur d'onde à 77 K

Conclusions

En 2017, l'Université Northwestern a rapporté des photodétecteurs LWIR nBn basés sur des super-réseaux de type II InAs/InAs₁₋ₓSbₓ. Le dispositif présentait une longueur d'onde de coupure ∼10 µm à 77 K avec une responsivité de pointe de 2,65 A/W (RQ 43 %), RA 664 Ω cm², densité de courant obscur 8 × 10⁵ A/cm² sous 80 mV à 77 K, et détectivité spécifique de 4,72 × 10¹¹ cm Hz¹/²/W [5]. Notre dispositif atteint une détectivité de pointe de 1,3 × 10¹¹ cm Hz¹/²/W à 5 µm et 0 V avec −10 V de polarisation de grille, comparable au dispositif nBn. Le point faible reste l'uniformité du RA qui influence les performances.

En conclusion, forcer la région active à être de type p par dopage dans la région π améliore efficacement les performances du détecteur LWIR P⁺–π–M–N⁺ InAs/GaSb [6]. Cependant, une concentration de dopage plus élevée n'améliore pas nécessairement les performances ; un dopage excessif les dégrade électriquement et optiquement. La caractérisation optique à 77 K donne un RQ maximal de 62,4 % à 4,26 µm et une responsivité maximale de 2,26 A/W à 5 µm pour Be 780 °C. La caractérisation électrique donne un RA maximal de 1259,4 Ω cm² pour Be 780 °C. La détectivité spécifique maximale est de 5,6 × 10¹⁰ cm Hz¹/²/W à 5 µm pour Be 780 °C. De plus, la tension de saturation peut être dramatiquement réduite par un prétraitement par vulcanisation anodique simple et efficace. Ce prétraitement montre son potentiel pour réduire la tension de grille. La caractérisation électrique montre une tension de saturation de seulement −10 V, contre 40 V sans vulcanisation pour une structure similaire avec la même épaisseur de SiO₂. Par ailleurs, les performances du dispositif peuvent être significativement améliorées par l'application d'une polarisation négative appropriée sur la grille. Un maximum de 1,3 × 10¹¹ cm Hz¹/²/W est atteint à 5 µm et 0 V avec −10 V de polarisation de grille pour Be 780 °C à 77 K. Limités par l'équipement et les conditions expérimentales, nous avons choisi le SiO₂ comme couche diélectrique, mais l'utilisation de milieux High-k est envisagée pour de futures expériences. Théoriquement, la tension de polarisation de grille peut être encore réduite.

Disponibilité des données et matériaux

Les auteurs déclarent que les matériaux et données sont rapidement accessibles aux lecteurs sans qualifications excessives pour les accords de transfert de matériel. Toutes les données générées ou analysées durant cette étude sont incluses dans cet article.

Abréviations

LWIR :

Détecteurs infrarouges à longue longueur d'onde

RQ :

Rendement quantique

T2SL :

Super-réseaux à couches déformées de type II

VLWIR :

Détecteurs infrarouges à très longue longueur d'onde

MWIR :

Détecteurs infrarouges à longueur d'onde moyenne

HRXRD :

Diffraction X à haute résolution

AFM :

Microscopie à force atomique

ICP :

Plasma à couplage inductif

GD :

Diode à grille

UGD :

Diode sans grille

D* :

Détectivité spécifique

RA :

Produit résistance-surface

Ri :

Responsivité du détecteur infrarouge

G-R :

Génération-récombinaison