양극 산화 전처리 및 게이트 프리-처리된 P⁺–π–M⁺ InAs/GaSb 초격자: 장파장 적외선 검출용 고성능 소자

초록

InAs/GaSb 초격자 적외선 검출기는 엄청난 노력 끝에 개발되었습니다. 그러나 특히 장파장 적외선 검출기(LWIR)의 성능은 여전히 전기적 성능과 광학 양자 효율(QE)에 의해 제한됩니다. 적절한 도핑을 통해 활성 영역을 p-형으로 강제하면 QE를 크게 개선할 수 있으며, 게이팅 기술은 전기적 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 포화 바이어스 전압이 너무 높습니다. 포화 바이어스 전압을 낮추는 것은 게이트 전압 제어 소자의 미래 응용에 광범위한 전망을 가지고 있습니다. 본 논문에서는 간단하고 효과적인 양극 산화 전처리 후 200-nm SiO₂ 층을 가진 게이팅된 P⁺–π–M–N⁺ InAs/GaSb 초격자 장파장 적외선 검출기가 서로 다른 π 영역 도핑 레벨에서 -10 V의 감소된 최소 포화 바이어스를 보인다고 보고합니다. 이 포화 게이트 바이어스 전압은 동일한 두께의 200-nm SiO₂ 패시베이션 층과 유사한 구조에서 보고된 -40 V보다 훨씬 낮습니다. 광학 및 전기적 특성 분석 결과, 과도한 도핑 농도는 소자의 전기적 및 광학적 성능을 약화시키는 것으로 나타났습니다. 77 K에서 소자의 50% 차단 파장은 약 8 µm, 100% 차단 파장은 10 µm이며, 최대 양자 효율은 62.4%, 5 µm에서 최대 응답도는 2.26 A/W, 최대 RA 값은 1259.4 Ω cm²입니다. 또한, 게이트 전극이 없는 Be 780 °C 도핑 검출기의 특이 검출도는 70-mV 역방향 바이어스에서 5 µm 파장에서 5.6 × 10¹⁰ cm Hz^1/2/W의 피크를 보이며, 이는 Be 820 °C 도핑 검출기의 3배 이상입니다. 게다가, 게이트 전극에 -10 V 바이어스가 있을 때 10-mV 예비 바이어스에서 피크 특이 검출도를 1.3 × 10¹¹ cm Hz^1/2/W까지 더 높일 수 있습니다.

서론

사이-할라즈(Sai-Halasz) 등이 [1] 그 개념을 제안한 이후, 제2종 변형층 초격자(T2SLs)는 현재 연구의 초점이 되어 왔습니다. T2SLs의 밴드 구조와 변형을 신중하게 설계함으로써 고성능 적외선 검출기를 생성할 수 있습니다 [2]. 잘 연구된 T2SLs의 일원인 InAs/GaSb 초격자는 적외선 검출기 분야에서 광범위한 전망을 보이는 우수한 재료 시스템입니다 [3]. InAs/GaSb 초격자 적외선 검출기는 엄청난 노력으로 개발되었습니다. 그러나 특히 장파장 적외선 검출기(LWIR)의 성능은 여전히 전기적 성능과 광학 양자 효율(QE)에 의해 제한됩니다 [4]. LWIR 검출기의 해당 상온(지상 기반)은 약 300 K이며, 이는 9.6 µm의 피크 파장(LWIR 대기 투과 윈도우의 중심)에 해당하고 광범위한 응용 분야를 가집니다 [5]. 가스 검출, 야간 투시, 적외선 조기 경보, 적외선 원격 탐사, 적외선 유도 등 군사용뿐만 아니라 일상생활에서도 널리 사용됩니다. 고성능 장파장 적외선 검출기를 제조하는 것은 매우 의미 있고 도전적인 과제입니다.

검출기의 구조 설계와 공정 제조는 LWIR 검출기 성능에 중대한 영향을 미칩니다. 활성 영역의 두께를 늘리는 것이 QE를 개선하는 가장 직접적이고 효과적인 방법인 것처럼 보였습니다. 그러나 두께 증가와 함께 더 많은 트랩 센터가 도입되어 검출기의 전기적 특성이 저하됩니다. LWIR 및 초장파장 적외선 검출기(VLWIR)에서 InAs 층은 GaSb 층보다 두꺼워지는 경향이 있습니다. 따라서 재료는 n-형이 됩니다(소수 캐리어는 정공). 적절한 도핑을 통해 활성 영역을 p-형으로 강제하면 소자 영역 크기의 변화 없이 QE를 크게 높일 수 있습니다 [6]. 그러나 도핑 농도가 높을수록 소자 성능이 더 향상되는 것은 아닙니다. 특히, 과도한 도핑 농도는 소자의 전기적 [7] 및 광학적 성능을 약화시킬 수 있습니다.

π 영역의 도핑 농도 변경 외에도, 게이팅 기술은 최근 중파장 적외선 검출기(MWIR) 및 LWIR 검출기 [8]에 적용되어 소자 성능을 개선하고 있습니다. 그러나 매우 높은 게이트 바이어스 전압이 필요합니다. 게이트 바이어스는 식 (1)로 표현할 수 있습니다.

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

여기서 \(\varepsilon\)은 유전체 층의 상대 유전율, \(\varepsilon_{0}\)는 진공의 유전율, V는 포화 게이트 바이어스 전압, d는 유전체 층의 두께, σ는 계면의 전하 밀도를 나타냅니다. 이 식을 기반으로 게이트 바이어스를 약화시키기 위한 큰 노력이 기울여졌으며, Y₂O₃ [9]와 같은 고-k 유전체로 패시베이션하거나 층의 두께를 줄이는 방법 [10]이 효과적입니다. 그러나 전하 밀도를 줄이는 연구는 거의 없습니다. 본 논문에서는 양극 산화를 최초로 수행하여 포화 바이어스를 크게 낮춥니다. NaS₂·5H₂O와 에틸렌 글라이콜의 혼합물을 황화 용액으로 사용합니다. 양극 경화 과정에서 황 원자와 소자 표면의 댕글링 본드(dangling bonds)가 결합하여 소자 표면의 전도 채널을 닫고 [11], 소자의 표면 재결합을 줄이며, 소자의 표면 전하 밀도를 약화시킵니다. 그런 다음 소자 표면에 치밀하고 균일한 원소 황 층을 얻습니다. 다음으로, 원소 황 층 표면을 200-nm SiO₂ 층으로 덮습니다. 게이트 전극은 SiO₂ 층 위에 배치됩니다. 계면의 전하 밀도가 감소함에 따라 포화 게이트 바이어스 전압이 낮아집니다.

본 연구에서는 서로 다른 도핑 π 영역을 가진 InAs/GaSb T2SLs 기반의 양극 산화 전처리된 LWIR P⁺–π–M–N⁺ 검출기를 저포화 게이트 바이어스 전압 조건에서 제조했습니다. 결과는 도핑 농도가 높을수록 소자 성능이 더 향상되는 것이 아님을 보여줍니다. 구체적으로, 과도한 도핑 농도는 소자의 전기적 및 광학적 성능을 약화시킵니다. 또한, 양극 산화 전처리는 포화 바이어스를 -10 V로 크게 낮출 수 있으며, 이는 유사한 구조에서 동일한 두께의 SiO₂ 패시베이션 층을 가진 다른 연구의 약 40 V보다 훨씬 낮습니다.

실험 방법

재료 및 구조

재료는 2인치 n-형 GaSb (001) 기판 위에 고체 소스 GEN 20 MBE 시스템으로 제작되었습니다. 본 연구에서는 고성능 LWIR 검출기가 P⁺–π–M–N⁺ 구조를 기반으로 합니다. 소자의 개략도, 고분해능 X-선 회절(HRXRD) 패턴, 원자 힘 현미경(AFM) 이미지는 그림 1과 2에 나와 있습니다. 그림 1은 구조가 1300-nm 두께의 P⁺ GaSb 버퍼, 500-nm 두께의 8-ML InAs/12-ML GaSb (Be: 약 1 × 10¹⁸ cm⁻³) P⁺ 영역, 2000-nm 약한 P-도핑 12-ML InAs (Be: 780 °C, 800 °C, 820 °C)/7-ML GaSb π 영역, 500-nm 비도핑 18-ML InAs/3-ML GaSb/5-ML AlSb/3-ML GaSb M-영역, 500-nm 두께의 18-ML InAs/3-ML GaSb/5-ML AlSb/3-ML GaSb (Si: 약 1 × 10¹⁸ cm⁻³) N⁺ 영역, 그리고 30-nm N⁺ InAs 캡 층으로 구성됨을 보여줍니다. 또한 구조와의 시뮬레이션된 밴드 정렬도 보여줍니다. P⁺–π–M–N⁺ LWIR 검출기의 성능은 π 영역의 도핑에 의해 크게 영향을 받으므로, 780~820 °C 범위에서 서로 다른 Be 도핑 온도를 가진 세 개의 시료를 준비했습니다.

그림 1. 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 재료의 에피택셜 구조 및 밴드 정렬

그림 2. 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 시료의 HRXRD 로킹 커브

그림 2에 표시된 대로, p-접촉, p-활성 영역, M-구조 층의 초격자 주기는 각각 59.3 Å, 58.4 Å, 89.5 Å이며, 격자 부정합은 각각 60 아크초, 0 아크초, 0 아크초입니다. 각 영역의 SL에 대한 반값 전폭(FWHM)은 32 아크초, 25 아크초, 12 아크초로, 계면에서 재료가 높은 품질임을 나타냅니다.

그림 3은 10 × 10 µm 영역에서 1.87 Å의 근방 평균 제곱(RMS) 거칠기로 원자 계단이 나타남을 보여줍니다.

그림 3. 시료의 10 × 10 µm² 영역 AFM 이미지

소자 구조 및 제조 공정

공정은 참고문헌 [12]과 유사합니다. 먼저, 웨이퍼를 하드 마스크로 SiO₂로 덮습니다. 그런 다음 표준 리소그래피 단계를 수행합니다. 이어서 유도 결합 플라즈마(ICP) 시스템으로 하드 마스크를 개방합니다. 다음으로, CH₄/Cl₂/Ar 혼합 가스를 사용한 ICP 시스템으로 메사를 형성합니다. 구체적으로, 웨이퍼를 최상층부터 P⁺ 접촉층까지 식각합니다 [12]. 이후 남은 SiO₂ 층을 제거합니다. 그런 다음 웨이퍼의 한 면을 황화나트륨과 에틸렌 글라이콜의 혼합 용액에 담그고 웨이퍼에 정전류를 가하며 임계 전압을 설정합니다. 황 원자 층이 박막 표면에 형성되고 저항이 변합니다. 웨이퍼의 전압이 점차 증가하여 임계 전압에 도달하면 황화 처리가 완료됩니다. 이후 원소 황 층을 200-nm SiO₂ 층으로 덮습니다. 또한, 상하 금속 전극의 금속 접촉 영역으로 SiO₂와 원소 황 층을 통해 창을 열기 위해 다시 포토리소그래피를 수행합니다. 덧붙여, 두 개의 전극 형상으로 설계된 또 다른 포토리소그래피를 수행합니다. 하나는 게이트 다이오드(GD)용이고 다른 하나는 비게이트 다이오드(UGD)용입니다. Ti (50 nm)/Pt (50 nm)/Au (300 nm)를 전자빔 증착으로 금속 전극에 증착합니다. 마지막으로, 금속 리프트오프로 상부, 하부, 게이트 전극을 얻습니다.

그림 4는 GD의 구조를 보여줍니다. 알다시피, 재료 식각의 경사각은 ICP 전력, RF 전력, 가스 유량, 챔버 압력을 변경하여 조정할 수 있습니다. 본 연구에서는 실제 측벽 경사각을 80°~85° 사이로 하여 게이트 접촉이 측벽에 쉽게 증착되도록 했습니다. 게이트 전극은 SiO₂ 층의 측벽에 배치됩니다.

그림 4. GD의 소자 구조도

그림 5는 세 개의 다이(780 °C, 800 °C, 820 °C Be 도핑)에서 절반의 다이오드가 GD로 증착됨을 보여줍니다. 그러면 게이트 다이오드(GD)와 비게이트 다이오드(UGD) 둘 다를 얻을 수 있습니다. 궁극적으로 시료 A(780 °C GD), 시료 B(780 °C UGD), 시료 C(800 °C GD), 시료 D(800 °C UGD), 시료 E(820 °C GD), 시료 F(820 °C UGD)를 획득할 수 있습니다.

그림 5. 광학 현미경 하의 소자 사진

결과 및 논의

적외선 검출기에서 특이 검출도(D*)는 보통 소자 성능을 나타내는 데 사용되며, 식 (2)로 계산됩니다.

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

여기서 q는 전하량, K는 볼츠만 상수, T는 켈빈 온도, Ri는 적외선 검출기의 응답도, J는 특정 바이어스 하의 소자 암전류 밀도, RA는 저항값과 다이 면적의 곱입니다. J와 RA는 소자의 전기적 성능을 나타냅니다. Ri는 다음 식을 통해 QE로 변환할 수 있습니다:

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

여기서 \(h\)는 플랑크 상수, \({ }C\)는 빛의 속도, q는 전하량, \({ }\lambda\)는 특정 파장이며, QE와 Ri는 소자의 광학적 성능을 나타냅니다. 그림 6은 77 K에서 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 시료들의 광학 특성을 보여줍니다. 모든 시료는 77 K에서 8 µm의 50% 차단 파장과 10 µm의 100% 차단 파장을 가집니다. π 영역의 도핑 유형을 p-형으로 변경하여 QE와 응답도를 높일 수 있지만, 온도가 높을수록 QE와 응답도가 높아지는 것은 아닙니다. 그러나 도핑 농도 증가에 따라 QE와 응답도가 크게 감소합니다. 제2종 변형층 초격자(T2SLs)에서 성장 중 도핑 온도는 도핑 농도에 결정적입니다. 온도가 높을수록 도핑 농도가 높아집니다. 780 °C에서 QE는 62.4%의 최대값에 도달하며, 이는 820 °C의 QE보다 1.5배 큽니다. 도핑 농도 증가로 너무 많은 불순물이 도입되어 과잉 캐리어 수명/확산 길이가 감소하고 QE와 응답도가 감소하기 때문입니다 [6]. 이는 또한 그림 6a의 분광 적색 편이를 야기합니다. 그림 6a와 b는 780 °C가 광학 특성 분석을 위한 최적의 도핑 온도임을 나타내며, 5 µm에서 2.26 A/W의 피크 응답도와 62.4%의 피크 QE를 보입니다.

그림 6. 77 K에서 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 시료들의 광학 특성

그림 7은 77 K에서 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 UGD 시료들의 전기적 특성을 보여줍니다. 소자의 전기적 성능은 서로 다른 π 영역 도핑 농도에 의해 크게 영향을 받습니다 [7]. π 영역 도핑 레벨이 증가함에 따라 특정 바이어스에서의 저항값과 다이 면적의 곱(RA)은 작아지고, 암전류 밀도는 커집니다. 참고문헌 [6]과 유사하게, RA는 역방향 바이어스가 증가함에 따라 부드러운 브레이크다운과 함께 0 V 근처에서 최대에 도달하여, 소자가 터널링 암전류 모드를 가짐을 시사합니다. Be 780 °C 도핑에서 -200 mV에서 1259.4 Ω cm²의 최대 RA를 얻었으며, 이는 Be 820 °C 도핑의 약 40배입니다. 그림 7b는 -0.1~0 V 범위의 음의 바이어스에서 암전류 밀도가 유사하며, Be 780 °C 도핑의 암전류 밀도가 다른 것들에 비해 약간 작음을 보여줍니다. Be 780 °C 도핑 소자의 -70 mV에서 암전류는 4.9 × 10⁻³ A/cm²입니다.

그림 7. 77 K에서 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 UGD 시료들의 전기적 특성

해당 D*는 77 K에서 서로 다른 바이어스 전압 하의 특정 Ri, J, RA 값을 사용하여 계산할 수 있습니다. 그림 8은 서로 다른 π 영역을 가진 UGD 시료들의 검출도를 보여줍니다. -30 mV에서, Be 780 °C 도핑의 피크 검출도는 5 µm에서 5.6 × 10¹⁰ cm Hz^1/2/W인 반면, Be 820 °C 도핑에서는 3.8 × 10¹⁰ cm Hz^1/2/W입니다. Be 780 °C 도핑의 피크 검출도는 Be 820 °C 도핑의 1.5배입니다. 따라서 적절한 도핑 농도가 매우 중요합니다. 그러나 너무 높은 도핑 농도는 소자 성능을 약화시킵니다.

그림 8. 77 K에서 π 영역 도핑 레벨을 가진 UGD 시료들의 특이 검출도와 파장의 상관관계

그림 9는 77 K에서 Be 780 °C 도핑된 GD 시료의 다양한 게이트 바이어스 전압 하의 전기적 특성을 보여줍니다. 일반적인 게이트 전압 제어 소자와 달리, 본 연구에서는 포화 게이트 바이어스 전압을 현저히 낮추기 위해 양극 산화 전처리를 최초로 수행했습니다. 또한, NaS₂·5H₂O와 에틸렌 글라이콜의 혼합물을 황화 용액으로 사용했습니다. 양극 산화 패시베이션 방법을 사용하여 소자 표면에 치밀하고 균일한 원소 황 층을 형성했습니다. 전기화학 반응 동안 황 원자가 소자 표면의 댕글링 본드와 결합하여 표면 댕글링 본드에 의해 생성된 전자 채널을 닫고 소자 표면의 전자-정공 재결합 메커니즘을 격리시킵니다 [11]. 그런 다음 원소 황 층 표면을 200-nm SiO₂ 보호층으로 덮고, 게이트 전극을 SiO₂ 층의 측벽에 배치합니다. 선행 연구에서 보고된 바와 같이, 포화 바이어스와 소자 유전체 층 두께 사이의 상관관계는 거의 선형적입니다. 그림 9는 간단하고 효과적인 황화 전처리를 통해 소자의 포화 바이어스를 약 -10 V로 낮출 수 있음을 시사합니다. 이 감소된 값은 유사한 구조에서 동일한 두께의 SiO₂ 층을 가진 다른 연구에서 약 40 V로, 4배 더 큽니다 [10]. 또한, RA는 0 V 근처에서 25 Ω cm²의 최대에 도달합니다. 약 -10 V의 음의 바이어스 전압을 가할 때 하강 추세가 크게 느려집니다. 게이트 전극에 -10 V 바이어스 전압을 가하면, 0 V 바이어스 없음 조건에서 -0.3 V에서 RA는 10 Ω cm²로, 바이어스 없음 조건의 40배입니다. 또한, 바이어스 없음 조건에서 -0.6 V에서는 거의 두 자릿수 낮습니다. 그림 9b는 암전류가 0 V 근처에서 2 × 10^–4 A/cm²의 최솟값에 도달하며, -0.3 V에서 한 자릿수 감소함을 보여줍니다. 알다시피, 바이어스 전압이 양수일 때 게이트 바이어스가 0 V에서 IV 곡선은 변하지 않습니다. 게다가, 바이어스 전압이 0에서 -10 V로 증가함에 따라 소자의 RA가 크게 증가하는 반면, 소자의 암전류는 그에 따라 감소합니다. 바이어스 전압이 -10 V에서 -20 V로 변할 때, 소자의 RA는 약간 감소하고 암전류는 증가합니다. 높은 역방향 바이어스(예: 상하 전극 사이 -1 V)에서, 암전류는 게이트 바이어스와 함께 감소하다가 -12 V 이상에서 약간 증가합니다. 이는 주로 게이트 바이어스 특성 때문입니다. 더 자세한 내용은 그림 10에 나와 있습니다. 낮은 역방향 바이어스(예: -0.1 V)에서는 암전류가 게이트 바이어스 증가와 함께 증가하는 것처럼 보이며, 이는 -1 V에서의 경우와 완전히 다릅니다. 서로 다른 역방향 바이어스에 대해 주요 누설 메커니즘이 다르다고 추측됩니다. 낮은 역방향 바이어스에서는 높은 게이트 바이어스가 전자 표면 산란과 핫 전자에 영향을 미쳐 부정적인 영향을 보입니다. 반면 높은 역방향 바이어스에서는 표면 누설 전류가 감소하여 누설이 감소합니다. 따라서 다릅니다.

그림 9. 780 °C Be 도핑된 GD 시료의 다양한 게이트 바이어스 전압 및 상하 전극 바이어스 전압 하의 전기적 특성

그림 10. 780 °C Be 도핑된 GD 시료의 다양한 다이오드 동작 바이어스에서 역방향 암전류 밀도와 게이트 바이어스의 상관관계

그림 10에 도시된 바와 같이, 상하 전극 사이의 높은 역방향 바이어스(예: -1 V)에서 암전류는 게이트 바이어스와 함께 감소하다가 -12 V 이상에서 약간 증가합니다. 77 K에서 바이어스 전압 변화에 따라 소자는 세 단계로 존재합니다 [10]. 참고문헌 [13]에 따르면, P⁺–π–M–N⁺ 구조 소자의 P⁺와 N⁺ 영역은 고농도 도핑되어 있고, M 영역은 π와 P⁺ 영역에 비해 더 큰 유효 질량을 가진 더 넓은 밴드 영역이므로, 게이트 바이어스는 다른 영역에 비해 π 영역에 훨씬 더 큰 영향을 미칩니다 [13]. 천(Chen) [10]과 유사한 방법을 사용하여, 게이트 전극에 높은 음의 바이어스 전압(-20 ~ -10 V)을 가하는 과정에서 세 단계를 분석했습니다. 결과는 메사 측벽이 평탄 조건이거나 축적 상태에 있으며 [8], 황화 계면으로 인해 암전류 밀도가 게이트 바이어스와 함께 약간 증가함을 나타냅니다. 황화 계면의 밀도 불균일성으로 인해 어딘가에서 밀도가 약간 부족하여 약간의 브레이크다운이 발생한다고 추측됩니다. 음의 바이어스 전압(-10 ~ -2 V)을 가하면 메사 측벽이 고갈 상태에 들어가고 암전류가 부드럽게 증가합니다. 또한, 바이어스 전압 -2 V에서 양의 게이트 바이어스까지 전기장 유도 고갈 폭이 최대에 도달하고 반전층이 형성되므로 암전류 밀도는 일정하게 유지됩니다. 참고문헌 [14]에 따르면, -0.5 V에서 표면 생성-재결합(G-R) 전류가 -0.3 V보다 큰 이유가 설명되어 있습니다.

그림 11은 게이트 바이어스 -10 V에서 780 °C Be 도핑된 GD 시료의 D*가 5 µm에서 1.3 × 10¹¹ cm Hz^1/2/W의 피크 검출도에 도달함을 보여줍니다. 이는 780 °C Be 도핑의 바이어스 없음 조건보다 2배 이상, 820 °C Be 도핑의 바이어스 없음 조건보다 3배 이상 높습니다. 이는 적절한 음의 바이어스 가하기가 소자 성능을 크게 개선할 수 있음을 나타냅니다.

그림 11. 77 K에서 780 °C Be 도핑된 GD 시료 및 서로 다른 π 영역 도핑 레벨을 가진 UGD 시료들의 검출도와 파장의 상관관계

결론

2017년 노스웨스턴 대학은 InAs/InAs_1−xSb_x 제2종 초격자 기반의 장파장 적외선(LWIR) nBn 광검출기를 보고했습니다. 이 소자는 77 K에서 ~10 µm의 차단 파장을 보이며, 2.65 A/W의 피크 응답도(양자 효율 43%에 해당), RA 664 Ω cm², 77 K에서 80 mV 바이어스 전압 하 8 × 10⁵ A/cm²의 암전류 밀도를 보였으며, 4.72 × 10¹¹ cm Hz^1/2/W의 특이 검출도를 나타냈습니다 [5]. 본 소자의 피크 응답도는 5 µm에서 1.3 × 10¹¹ cm Hz^1/2/W로 0 V 및 -10 V 게이트 바이어스 전압에서 nBn 소자와 비교 가능합니다. 하지만 약점은 소자 RA 균일성으로, 이는 소자 성능에 영향을 미칩니다.

결론적으로, π 영역 도핑을 통해 활성 영역을 p-형으로 강제하는 것은 LWIR InAs/GaSb 초격자 P⁺–π–M–N⁺ 검출기의 성능을 효과적으로 개선할 수 있습니다 [6]. 그러나 도핑 농도가 높을수록 소자 성능이 더 향상되는 것은 아닙니다. 특히, 과도한 도핑 농도는 소자의 전기적 및 광학적 성능을 저하시킬 수 있습니다. 77 K에서의 광학 특성 분석 결과, Be 780 °C 도핑에서 4.26 µm에서 62.4%의 최대 QE와 5 µm에서 2.26 A/W의 최댓값을 얻었습니다. 전기적 특성 분석 결과, Be 780 °C 도핑에서 1259.4 Ω cm²의 최대 RA를 얻었습니다. 특이 검출도는 Be 780 °C 도핑에서 5 µm 파장에서 5.6 × 10¹⁰ cm Hz^1/2/W의 최댓값에 도달했습니다. 또한, 간단하고 효과적인 양극 산화 전처리를 통해 소자의 포화 바이어스를 극적으로 낮출 수 있습니다. 황화 전처리는 게이트 바이어스 전압을 낮추는 잠재력을 보여줍니다. 전기적 특성 분석에 따르면 포화 바이어스는 -10 V에 불과한 반면, 황화 전처리 없이 유사한 구조에서 동일한 두께의 SiO₂ 층을 가진 다른 연구에서는 40 V입니다. 게다가, 게이트 전극에 적절한 음의 바이어스를 가함으로써 소자 성능을 크게 개선할 수 있습니다. 77 K에서 Be 780 °C 도핑 시 5 µm 및 0 V에서 -10 V 게이트 바이어스 전압으로 1.3 × 10¹¹ cm Hz^1/2/W의 최댓값에 도달했습니다. 실험 장비와 조건의 제한으로 SiO₂를 유전체 층으로 선택했지만, 향후 고-k 매질을 사용하여 추가 실험을 고려하고 있습니다. 이론적으로 게이트 바이어스 전압을 더 낮출 수 있습니다.

데이터 및 재료 가용성

저자들은 재료와 데이터가 독자들에게 부당한 자격 없이 물질 이전 계약 없이 즉시 이용 가능함을 선언합니다. 본 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 논문에 포함되어 있습니다.

약어

LWIR:

장파장 적외선 검출기

QE:

양자 효율

T2SLs:

제2종 변형층 초격자

VLWIR:

초장파장 적외선 검출기

MWIR:

중파장 적외선 검출기

HRXRD:

고분해능 X-선 회절

AFM:

원자 힘 현미경

ICP:

유도 결합 플라즈마

GD:

게이트 다이오드

UGD:

비게이트 다이오드

D*:

특이 검출도

RA:

저항값과 다이 면적의 곱

Ri:

적외선 검출기의 응답도

G–R:

생성-재결합