介绍一种具有GFPT微结构的T2SL探测器

据麦姆斯咨询报道，近日，一支由中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国科学院半导体研究所、南京大学等机构组成的研究团队在Optics Express期刊上发表了题为“Gradual funnel photon trapping enhanced InAs/GaSb type-II superlattice infrared detector”的最新论文，文中提出了一种具有渐变漏斗光子捕获（GFPT）微结构的中红外InAs/GaSb II类超晶格（T2SL）探测器，利用GFPT结构增强光吸收和降低暗电流噪声显著提高了探测器性能，其黑体探测率在78K时达到了1.51×10¹¹cm·Hz1/2。
 

图1 GFPT结构T2SL探测器示意图

红外探测器已被广泛应用于物体识别、癌症检测等领域。目前，中红外光敏材料主要包括碲镉汞（HgCdTe）合金和III-V T2SL。HgCdTe合金在器件性能方面具有一些优势，但其低成品率和高成本限制了其可用性。InAs/GaSb T2SL材料具有较小的隧穿电流和受抑制的Auger复合机制，是HgCdTe的可能替代品，但其光吸收系数低于HgCdTe合金。

近年来，人们研究了利用介电、表面金属和三维等离子腔结构等微结构来增强材料的光吸收。然而，表面金属微结构增加了材料的光学损耗，三维等离子体腔微结构需要对材料外延结构进行修改。

相比之下，介电结构是增强材料有效光吸收和光电转换的可靠解决方案。J. Budhu等人将T2SL探测器耦合到Si介电天线中，以增强材料的光吸收。C. Y. ilGuo等人使用中红外T2SL材料设计了一种介电谐振结构，在可见光谱中实现响应增强。

随后，C. Guo等人提出了一种具有M势垒的介电光子捕获T2SL探测器，该探测器在近红外波段的响应度为0.86A/W。然而，光子俘获结构在探测器中形成了晶体缺陷和悬垂键，这增加了器件的泄漏暗电流。此外，在诸如PIN和PMIN等T2SL材料中，只有耗尽区附近的光子才转换为光电流。

在探测器上制造合适的光子捕获结构是一个挑战。因此，中红外T2SL探测器中需要一种新的光子捕获结构，使其具有更好的光捕获性能和更方便的钝化以降低暗电流。 基于此，本论文的作者们提出了一种具有GFPT结构的中红外T2SL探测器。

GFPT探测器具有二维周期性渐变漏斗孔，用于有效捕光。在GFPT探测器中使用原子层沉积表面钝化，在78K时的探测率达到1.51×10¹¹cm·Hz1/2。由于使用了GFPT结构，探测器性能显著提高，实现了30%的宽带光吸收增强，并使暗电流噪声降低了3倍。

器件制备

他们使用标准光刻法和湿法蚀刻制造了GFPT结构的中红外T2SL探测器，器件的制造工艺流程如图1所示。使用磁控溅射沉积Ti/Au（30Å/500Å）形成顶部和底部金属接触电极。随后，用柠檬酸将GFPT结构蚀刻（0.8μm深）至T2SL吸收区。

蚀刻掩模是一个通过激光直写在T2SL材料表面形成的20nm厚的S1805光刻胶孔。接下来，三甲基铝预处理和ALD沉积的70nm Al2O3介电层分别作为化学钝化和物理保护。最后，使用N2等离子体蚀刻打开通过Al2O3钝化层的窗口，以便接触金属电极。

图2 GFPT结构T2SL探测器的制造工艺流程示意图

器件测试结果

图3（a）为GFPT探测器和参考探测器的傅里叶吸收光谱。当波长为2∼5µm时，GFPT探测器增加了20%∼40%的光吸收。利用600K黑体源，对GFPT探测器和参考探测器的响应度进行了表征。两种探测器的响应度与施加偏压的函数关系如图3（b）所示，其中GFPT探测器具有更高的响应度，并且在低偏压下表现出饱和。图3（c）显示了两种探测器在-0.1V下对黑体源周期性斩波的光响应。GFPT探测器和参考探测器的响应度分别为1.36A/W和1.01A/W。

图3 GFPT结构T2SL探测器的性能表征

探测器的噪声可以用暗电流特性来描述。图4（a）为GFPT探测器的温度相关暗电流密度。从78K到300K，由于热载流子生成复合和扩散行为随温度升高而增强，器件的暗电流密度在-0.1V时增加了四个数量级。在-0.1V电压下，GFPT探测器和参考探测器的暗电流密度分别为2.63×10⁻⁴A/cm²和9.63×10⁻⁴A/cm²，如图4（b）所示。

与参考探测器相比，GFPT器件的暗电流减少了大约三倍。它证实了ALD沉积对GFPT结构钝化的有效性。GFPT阵列带来的体积减小可以降低探测器的背景电流，如图4（c）所示。在100K时，与参考器件相比，暗电流减少了20%。随着温度的升高，暗电流在140K时可迅速减少81%。
 

图4 GFPT结构T2SL探测器的暗电流特性

结论

综上所述，本文提出了一种具有GFPT微结构的T2SL探测器，它可以通过增强30%的广谱吸收和3倍的暗电流抑制来显著提高探测器的性能。该GFPT探测器的黑体探测率在78K时达到了1.51×10¹¹cm·Hz1/2。本研究提供了一种微结构来改善光吸收并降低暗电流噪声，从而进一步提高光电探测器的探测率。

审核编辑：刘清