고성능 양극 가황 처리 전처리 게이트 P+–π–M–N+ InAs/GaSb 초격자 장파장 적외선 검출기

결과 및 토론

적외선 감지기에서 특정 감지도(D *)는 일반적으로 Eq.로 계산되는 검출기 성능을 특성화하는 데 사용됩니다. (2).

여기서 q 전자 요금의 양을 나타냅니다. 케이 볼츠만 상수를 나타냅니다. 티 켈빈 온도입니다. Ri는 적외선 감지기의 반응성을 나타냅니다. 제 특정 바이어스에서 장치의 암전류 밀도입니다. 및 RA 저항 값과 다이 면적의 곱을 나타냅니다. 제 및 RA는 장치의 전기적 성능을 특성화합니다. 그리고 Ri는 다음 공식을 사용하여 QE로 변환할 수 있습니다.

여기서 \(h\)는 플랑크 상수, \({ }C\)는 광속, q 는 전자 전하량, \({ }\lambda\)는 특정 파장, QE 및 Ri는 소자의 광학 성능을 나타냅니다. 그림 6은 π가 다른 샘플의 광학적 특성을 보여줍니다. 77K에서 영역 도핑 수준. 모든 샘플은 77K에서 50% 컷오프 파장 8μm 및 100% 컷오프 파장 10μm를 77K에서 비슷합니다. 도핑 유형을 피 -π 유형 지역에서는 온도가 높을수록 QE와 반응성이 높아집니다. 그러나 도핑 농도가 증가함에 따라 QE 및 반응성이 크게 감소합니다. 유형 II 변형층 초격자(T2SL)의 경우 성장 중 도핑 온도는 도핑 농도에 매우 중요합니다. 온도가 높을수록 도핑 농도가 높아집니다. 780°C의 QE는 820°C의 QE보다 1.5배 더 큰 62.4%의 최대값에 도달합니다. 도핑 농도가 증가함에 따라 너무 많은 불순물이 도입되어 과잉 캐리어 수명/확산 길이가 감소하고 QE 및 응답성이 감소하기 때문입니다[6]. 또한 그들은 그림 6a에서 분광학적 적색편이를 유발합니다. 그림 6a 및 b는 780°C가 광학 특성화를 위한 재료의 최상의 도핑 온도이며 5µm에서 2.26A/W의 피크 반응성과 62.4%의 피크 QE를 나타냅니다.

77K에서 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 갖는 샘플의 광학적 특성

그림 7은 π가 다른 UGD 샘플의 전기적 특성을 보여줍니다. 77K에서 영역 도핑 수준. 장치의 전기적 성능은 다양한 π에 의해 크게 영향을 받습니다. 영역 도핑 농도[7]. π 영역 도핑 레벨이 증가함에 따라 특정 바이어스에서 저항 값과 다이 면적(RA)의 곱이 작아지고 그에 따라 암전류 밀도가 커집니다. 참고 문헌 [6]과 유사하게 RA는 역 바이어스가 증가함에 따라 소프트 항복과 함께 거의 0V에서 최대값에 도달하여 장치에 터널링 암전류 모드가 있음을 나타냅니다. RA의 최대값인 1259.4Ω cm ² 에 도달했습니다. − 200mv에서 780°C로 도핑된 Be는 820°C로 도핑된 Be의 거의 40배입니다. 그림 7b는 - 0.1 ~ 0V 범위에서 음의 바이어스에서 암전류 밀도가 유사하고 780 °C로 도핑된 Be의 암전류 밀도가 다른 것에 비해 약간 작은 것을 보여줍니다. 암전류는 4.9 × 10 ⁻³ 입니다. A/cm ² − 70mv에서 780°C로 도핑된 Be가 있는 장치의 경우

π가 다른 UGD 샘플의 전기적 특성 77K에서 지역 도핑 수준

해당 D * 특정 Ri, J를 취하여 계산할 수 있습니다. , 및 RA 값은 77K에서 다양한 바이어스 전압에서 나타납니다. 그림 8은 다른 π를 갖는 UGD 샘플의 검출성을 보여줍니다. 지역. − 30 mv에서 피크 검출률은 5.6 × 10 ¹⁰ 입니다. cm Hz ^1/2 780°C로 도핑된 Be가 있는 5 µm의 /W(3.8 × 10 ¹⁰ ) cm Hz ^1/2 /W는 Be가 820°C로 도핑되어 있습니다. 780°C로 도핑된 Be의 피크 검출성은 820°C로 도핑된 Be의 1.5배입니다. 따라서 적절한 도핑 농도가 매우 중요합니다. 그러나 너무 높은 도핑 농도는 장치 성능을 약화시킬 수 있습니다.

π와 UGD 샘플의 77K에서 비검출도 사이의 상관관계 영역 도핑 레벨 및 파장

그림 9는 77K에서 760°C로 Be 도핑된 GD 샘플의 전기적 특성을 나타냅니다. 일반적인 게이트 전압 제어 장치와 달리 이 연구에서는 양극 가황 전처리를 먼저 수행하여 포화 게이트 바이어스 전압을 현저하게 감소시킵니다. 게다가 NaS₂의 혼합물 ·5H₂ O 및 에틸렌 글리콜은 가황 용액으로 사용됩니다. 양극 가황 패시베이션 방법은 장치 표면에 조밀하고 균일한 황 원소 층을 형성하는 데 사용됩니다. 전기화학적 반응 동안 황 원자는 소자 표면의 댕글링 본드와 결합하여 표면 댕글링 본드에 의해 생성된 전자 채널을 닫고 소자 표면의 전자-정공 재결합 메커니즘을 분리하는 데 기여합니다[11]. 그런 다음, 원소 황층의 표면은 200nm SiO₂의 보호층으로 덮입니다. , 그리고 게이트 전극은 SiO₂의 측벽에 배치됩니다. 층. 이전 연구에서 보고된 바와 같이 포화 바이어스와 소자 유전층의 두께 사이의 상관 관계는 거의 선형입니다. 그림 9는 장치의 포화 바이어스가 간단하고 효과적인 가황 전처리를 통해 약 - 10V에서 감소될 수 있음을 시사합니다. 다른 연구에서 감소된 값은 약 40V이며 동일한 두께 SiO₂를 가진 유사한 구조의 장치에서 4배 더 큽니다. 레이어 [10]. 게다가 RA는 최대 25Ω cm ² 에 도달합니다. 약 - 10V에서 음의 바이어스 전압을 적용할 때 하향 추세가 상당히 느려졌습니다. 게이트 전극에 - 10V의 바이어스 전압을 적용할 때 RA는 10Ω cm ^{2 − 0.3V에서, 이는 바이어스 전압이 가해지지 않았을 때의 40배입니다. 게다가 - 0.6V에서 바이어스 전압이 없을 때보다 거의 두 자릿수 낮습니다. 그림 9b는 암전류가 최소 2 × 10 –4 에 도달함을 나타냅니다. A/cm 2 0V에 가깝고 - 0.3V에서 크기가 10배 감소합니다. 우리가 알고 있는 바와 같이 바이어스 전압이 양수일 때 IV 곡선은 0V에서 게이트 바이어스로 변경되지 않습니다. 게다가, 장치의 RA는 바이어스 전압이 0에서 - 10V로 증가할 때 크게 증가합니다. 한편, 장치의 암전류는 그에 따라 감소합니다. 바이어스 전압이 - 10에서 - 20V로 변할 때, 소자의 RA는 약간 감소하고 소자의 암전류는 이에 따라 증가합니다. 상부 전극과 하부 전극 사이의 높은 예비 바이어스(예:- 1V)에서 암전류는 게이트 바이어스와 함께 감소한 다음 - 12V를 약간 넘어서 증가합니다. 주로 게이트 바이어스 특성을 위한 것입니다. 추가 소개가 그림 10에 나와 있습니다. 낮은 역 바이어스(예:− 0.1V)의 경우 게이트 바이어스가 증가함에 따라 암전류가 증가하는 것으로 보이며, 이는 − 1V에서와 완전히 다릅니다. 다른 역 바이어스에 대해 다음과 같이 의심됩니다. 주요 누출 메커니즘이 다릅니다. 낮은 예비 바이어스의 경우 높은 게이트 바이어스는 전자 및 핫 전자의 표면 산란에 영향을 미치므로 부정적인 영향을 나타냅니다. 그리고 높은 역 바이어스의 경우 표면 누설 전류가 감소하기 때문에 누설이 감소합니다. 그래서 다릅니다.}

780 °C Be가 다른 게이트 바이어스 전압과 상단 및 하단 전극의 바이어스 전압으로 도핑된 GD 샘플의 전기적 특성

역 암전류 밀도와 780°C Be가 다른 다이오드 작동 바이어스에서 도핑된 GD 샘플의 게이트 바이어스 간의 상관관계

도 10에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 전극 사이의 높은 예비 바이어스(예:- 1V)에서 암전류는 게이트 바이어스와 함께 감소한 다음 - 12V를 약간 넘어서 증가한다. 장치가 77K에서 바이어스 전압의 변화와 함께 3단계로 존재함을 알 수 있습니다[10]. 참고문헌 [13]에 따르면 P ⁺ 및 N ⁺ P ⁺ 용 지역 –π–M–N ⁺ 구조 소자는 고농도로 도핑되고 M 영역은 π에 비해 유효 질량이 더 큰 라거 밴드 영역입니다. 및 P ⁺ 지역; 따라서 게이트 바이어스는 π에 훨씬 더 많은 영향을 미칩니다. 다른 지역에 비해 [13]. Chen[10]과 유사한 방법을 사용하여 게이트 전극에 인가되는 높은 음의 바이어스 전압(- 20 ~ - 10 V) 과정 중 세 단계를 분석합니다. 결과는 메사 측벽이 평평한 상태에 있거나 축적 상태에 있음을 나타냅니다[8]. 암전류 밀도는 가황 계면으로 인해 게이트 바이어스와 함께 약간 증가합니다. 가황 계면에 대한 의심은 약간 밀도 불균일성, 어딘가에 밀도 부족이 약간 분해됩니다. 음의 바이어스 전압(- 10 ~ - 2 V)이 인가되면 메사 측벽이 고갈되어 암전류가 원활하게 증가합니다. 게다가, - 2V의 바이어스 전압이 양의 게이트 바이어스에 적용될 때 필드 유도 공핍 폭이 최대에 도달하고 반전 층 형성이 이루어집니다. 따라서 암전류 밀도는 일정하게 유지됩니다. 참고 문헌 [14]에 따르면 - 0.5V에서의 표면 생성-재결합(G-R) 전류가 - 0.3V에서의 전류보다 큰 이유가 설명됩니다.

그림 11은 − 10V의 게이트 바이어스에서 D * 780°C Be 도핑된 GD 샘플의 경우 1.3 × 10 ¹¹ 의 피크 검출도에 도달합니다. cm Hz ^1/2 /W는 5μm에서 780°C Be가 도핑된 무 바이어스 전압에서 2배 이상이고 77K에서 820°C Be가 도핑된 무 바이어스 전압에서 3배 이상입니다. 이는 적절한 네거티브 바이어스를 적용함을 나타냅니다. 장치 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

780°C Be 도핑된 GD 샘플의 검출도와 77K에서의 파장과 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 갖는 UGD 샘플 간의 상관관계