隨著安防、汽車、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域需求的不斷增長，短波紅外（SWIR）傳感器的發(fā)展也隨之興起。在1 ~ 2.5 μm的短波紅外波段，硅材料是準(zhǔn)透明的，因此，需要通過改變吸收材料來實(shí)現(xiàn)該波段光子的吸收。基于InGaAs的短波紅外傳感器的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，該結(jié)構(gòu)由一層外延生長于InP襯底上的厚膜低摻雜N-InGaAs吸收層組成。InGaAs圖像傳感器的制造目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)大尺寸、大規(guī)模的Si-CMOS兼容工藝。

圖1 InGaAs光電二極管經(jīng)不同制造工藝處理后的截面示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，由意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)（Univ. Grenoble Alpes，UGA）和法國國家科學(xué)研究中心（CNRS）組成的科研團(tuán)隊(duì)在Sensors期刊上發(fā)表了以“Design and Characterization of 5 μm Pitch InGaAs Photodiodes Using In Situ Doping and Shallow Mesa Architecture for SWIR Sensing”為主題的論文。該論文的第一作者為Jules Tillement，通訊作者為Jules Tillement和Frédéric Boeuf。

這項(xiàng)研究介紹了用于短波紅外傳感的淺臺(tái)面型光電二極管的完整設(shè)計(jì)、制造和表征。對(duì)于InGaAs光電二極管的制造而言，關(guān)鍵工藝步驟是通過在N型堆疊中創(chuàng)建P區(qū)來定義每個(gè)像素。以往的研究報(bào)道了多種替代方案，包括Zn擴(kuò)散、Be離子注入以及淺臺(tái)面型架構(gòu)。

淺臺(tái)面型架構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是在低反向偏壓下從InGaAs吸收層收集光生載流子，以匹配讀出集成電路（ROIC）的需求。少數(shù)載流子必須穿過如圖2所示的模擬能帶圖上的異質(zhì)結(jié)。N-InP層鈍化了小間隙InGaAs層，但異質(zhì)結(jié)為空穴收集引入了阻礙勢壘。為了克服勢壘，該結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)為通過引入一個(gè)電場來吸引處于平衡狀態(tài)的載流子。

圖2 模擬結(jié)構(gòu)在平衡狀態(tài)下的能帶圖

隨后，研究人員利用Synopsys Sentaurus軟件對(duì)該器件進(jìn)行模擬，旨在尋找抑制收集路徑靜電壁壘的參數(shù)。這項(xiàng)理論研究使研究人員找到一組抑制空穴收集勢壘的摻雜濃度和厚度參數(shù)。這組參數(shù)已被用于設(shè)定InGaAs光電二極管制造的外延堆疊。

淺臺(tái)面型光電二極管的原理圖和簡化工藝如圖3所示。所有層均生長于3英寸InP襯底上（見圖3a）。通過蝕刻P型層進(jìn)行像素定義（見圖3b和圖4a）。然后，該器件通過介電沉積鈍化。最后一步是制造二極管和N金屬觸點(diǎn)（見圖3c）。

圖3 淺臺(tái)面型結(jié)構(gòu)制造工藝流程的簡化示意圖

圖4 完成制造工藝流程后的掃描電鏡圖（SEM）

接著，研究人員首先在15 μm大像素上比較了兩種工藝，以分析鈍化對(duì)暗電流性能的影響。然后，采用最合適的工藝制備了5 μm像素間距的InGaAs光電二極管，并對(duì)其進(jìn)行表征。最后，展示了3 μm像素間距的InGaAs光電二極管，作為像素間距縮減的案例。圖5顯示了該結(jié)構(gòu)的橫截面及其暗電流的潛在來源。

圖5 該結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖及其暗電流的潛在來源

研究人員還使用既往研究中具有小間距和低暗電流的InGaAs光電二極管的最新數(shù)據(jù)與本研究的器件性能進(jìn)行對(duì)比（參見圖6）。與迄今為止報(bào)道的臺(tái)面型架構(gòu)相比，本研究提出的創(chuàng)新架構(gòu)的性能有了重大改進(jìn)。

圖6 本研究在制造InGaAs光電二極管方面的成果（藍(lán)色）與現(xiàn)有最新技術(shù)的比較

綜上所述，憑借創(chuàng)新的淺臺(tái)面型架構(gòu)，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)并制備了性能優(yōu)異的InGaAs光電二極管。在- 0.1 V和室溫下，像素間距為5 μm時(shí)，該器件暗電流可低至5 nA/cm2。采用InP襯底和無抗反射涂層時(shí)，外部量子效率（QE）為54%。經(jīng)過優(yōu)化抗反射涂層和襯底去除工藝后，外部QE有望達(dá)到76%。對(duì)于低至3 μm的像素間距，該研究成功演示了InGaAs光電二極管的運(yùn)行，雖然暗電流密度增加至30 nA/cm2。這種有前景的結(jié)構(gòu)目前還在研究中，有望將其作為成像儀與Si-CMOS工具兼容的工藝以及Si-ROIC相集成。

審核編輯：劉清