1、两种钝化结构 InGaAs 红外探测器低频噪声的研究_吕衍秋半导体光电2009 年 6 月第 30 卷第 3 期吕衍秋等: 两种钝化结构 InGaAs 红外探测器低频噪声的研究光电器件两种钝化结构 InGaAs 红外探测器低频噪声的研究吕衍秋 1,孟庆端 1,张向锋 1,张 亮 1,孟 超 1,龚海梅 2,孙维国1(1.中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009;2.中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海 200083)摘 要: 低频噪声的测量和分析已成为红外探测器性能和可靠性评估的一种重要手段。制备了聚酰亚胺单层钝化和硫化后 ZnS/聚酰亚胺双层钝化两种结构 InGaAs
2、探测器, 测试了不同偏压或不同温度下器件的低频噪声谱,讨论了偏压和温度对 InGaAs探测器低频噪声的影响。随着偏压的增加,噪声增大,拐点向低频方向移动,并且低频噪声随温度降低而减小。认为硫化后 ZnS/聚酰亚胺双层钝化器件相对聚酰亚胺单层钝化器件相同偏压或温度下噪声较小,拐点低。因为硫化处理和 ZnS 层增强了钝化效果, 器件的表面漏电流明显减小, 因而大大降低了器件的低频噪声。关键词: 红外探测器;InGaAs;低频噪声;钝化中图分类号:TN215 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)03-0339-04StudyonLowFrequencyNoiseofInGaAsI
3、nfraredDetectorswithTwoPassivationStructuresLVYan-qiu1,MENGQing-duan1,ZHANGXiang-feng1,ZHANGLiang1,MENGChao1,GONGHai-mei2,SUNWei-guo1(1.ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,CHN;2.StateKeyLaboratoryofTransducerTechnology,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083
4、,CHN)Abstract: Themeasurementandanalysisoflowfrequencynoiseisoneofthemostimportantmeanstoevaluatethecapabilityandreliabilityofinfrareddetectors.FabricatedareInGaAsinfrareddetectorswithtwopassivationstructureswithpolyimidesinglelayerorZnS/polyimidedoublelayersaftersulfidationtreatment.Thelowfrequency
5、noiseofInGaAsinfrareddetectorsweremeasuredatdifferentbiasvoltagesordifferenttemperatures.Theeffectofbiasvoltageandtemperatureonlowfrequencynoiseisdiscussed.Thelowfrequencynoiseincreasesandthekneeoffrequencymovestowardsthelowfrequencywithhigherbiasvoltage.Thelowfrequencynoisedecreaseswithlowertempera
6、ture.ItisconsideredthatnoiseandfrequencykneearelowerforthedevicewithZnS/polyimidedoublelayersaftersulfidationtreatmentthanthoseofthedeviceswithapolyimidesinglelayer.TheimprovementofsurfacepassivationprocessbysulfidationtreatmentandZnSpassivationlayer,reducingsurfacedarkcurrent,isaneffectivemethodtor
7、educethelowfrequencynoise.Keywords: infrareddetector;InGaAs;lowfrequencynoise;passivation0 引言由于 In0.53Ga0.47As 的截止波长为 1.7m,正好可以覆盖光纤通信常用的波长,InGaAs 光电探测器收稿日期:2008-08-01. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50632060).最初是用于光纤通信领域。InGaAs 红外探测器在工作波长范围 0.91.7m1,具有高的量子效率和灵敏度,可以在室温下工作 ,其 R0A 值要高出HgCdTe 的 12 数量级,信噪比可提高 310 倍,
8、成熟的 MBE 和MOCVD 技术也提供了可靠的批量生产的技术2。因此,InGaAs 红外焦平面,在航空SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.30No.3June2009航天、卫星、医学成像、产业测温、安全防范等民用领域和精确武器制导、红外报警与识别、侦察与监视等军事领域有广阔的应用前景。InGaAs 红外焦平面在空间遥感的应用, 国外起步较早,如法国的 SPOT4 和 SPOT5 卫星上采用了 3000 元 InGaAs 短波红外扫描焦平面;欧洲空间局(ESA)新一代的环境卫星 (ENVISAT)上采用了 1024 元InGaAs 短波红外扫描焦平面。低频噪声是半
9、导体器件的主要特征参数,对研究器件的钝化效果和可靠性有重要的意义。因此 InGaAs 探测器低频噪声的大小是制约器件应用的关键因素之一。国内外对 HgCdTe 光伏探测器的低频噪声研究得较多543DL1211,可以提供偏压。测试时先对器件进行有效的屏蔽,尽量减少外界因素的干扰。最后测试了不同温度下器件在 1000Hz 时的噪声,为了保证测试的准确性,采用 EGG 公司的 model124a 锁相放大器进行定点测量。2 结果和讨论声61/f 噪声是红外探测器低频部分的一种电流噪,其基本特点是噪声功率谱密度与频率成反比。在高频段,探测器的噪声主要是散粒噪声 ,在低频段,1/f 噪声是主要的噪声来源
10、。1/f 噪声的主要物理模型有表面载流子涨落模型和迁移率涨落模型。虽然目前国际上对 1/f 噪声的来源还没有统一的解释,但由于 1/f 噪声广泛地存在于各种组分和结构的半导体器件中, 同时又敏感地反映材料和器件的许多潜在缺陷,所以低频噪声的测量和分析已成为半导体器件质量表征和可靠性评估的一种新手段。图 2 为聚酰亚胺单层钝化 InGaAs 探测器反偏低频噪声图 ,反偏电压为-50-500mV, 噪声拐点约为 150Hz,前边是典型的 1/f 噪声, 拐点后,逐渐有产生-复合噪声 ,在高频区以散粒噪声为主。随着反偏电压的增大,噪声不断增大,这与随着偏压增SVbias/qNB)不断增大大 ,耗尽区
11、宽度 W=(21/27,但对 InGaAs 探测器低频噪声特性的研究较少。本文制备了聚酰亚胺单层钝化和 ZnS/聚酰亚胺双层钝化两种 InGaAs 探测器,在不同偏压和温度下研究器件的低频噪声谱,进而分析不同钝化结构对探测器低频噪声的影响。1 实验实验中制备了两种钝化结构的 InGaAs 探测器, 一种是聚酰亚胺单层钝化,另外一种为硫化后 ZnS/聚酰亚胺双层钝化 ,如图 1 所示。PINInP/InGaAs/InP 结构是用分子束外延技术在 2 英寸 InP 半绝缘衬底上依次生长厚度为 1m 掺 Si 的 n-InP 缓冲层 ,N2 1018cm-3;厚度为 2.5m 并且与 InP 晶格匹
12、配掺 Si 的 n-In0.53Ga0.47As 吸收层,N 41016cm-3;厚度为 0.5m 掺 Be 的 p-InP 窗口层,P2 1018cm-3,p 型和 n 型欧姆接触电极都为 Ti/Pt/Au。,图 1 ZnS/聚酰亚胺双层钝化 InGaAs 台面探测器结构先在室温下测试了聚酰亚胺单层钝化和 ZnS/聚酰亚胺双层钝化两种器件不同偏压下器件的低频噪声谱,测试是在安捷伦公司的动态信号分析仪 HP35670A 上进行的,该仪器可以直接进行 FFT 分析。低噪声电流前置放大器采用的是美国 DLInstruments 公司的高速低噪声前置电流放大器半导体光电2009 年 6 月第 30
13、卷第 3 期吕衍秋等: 两种钝化结构 InGaAs 红外探测器低频噪声的研究导致产生-复合电流也逐渐增大有关。图 3 为聚酰亚胺单层钝化InGaAs 探测器正偏低频噪声 ,偏压为 50500mV,噪声谱特性与反偏时基本一样,在相同偏压时,噪声比反偏时大,这主要是因为噪声功率与器件暗电流的平方成正比。图 4 所示为硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化 InGaAs 探测器反偏低频噪声,反偏电压为-20-300mV,拐点在 110Hz 附近, 随着偏压的增大,拐点变化较小,噪声变化不大。拐点以前,以 1/f 噪声为主;拐点以后,在较小偏压(-20mV 和-50mV) 时,以散粒噪声和产生-复合噪声为主,
14、 较大偏压时,主要以散粒噪声为主。图 5 所示为硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化 InGaAs 探测器正偏低频噪声 ,电压从 20mV 到 300mV,随着偏压增大,拐点由 110Hz 减小到 80Hz,而且噪声增大明显, 拐点以前,以 1/f噪声为主;拐点以后,在较小偏压(20mV 和 50mV)时,以散粒噪声和产生-复合噪声为主, 较大偏压时 ,主要以散粒噪声和 1/f 噪声为主。硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化器件与聚酰亚胺单层钝化相比,拐点减小, 噪声也减小,拐点后产生- 复合噪声也不明显,主要是因为硫化和 ZnS 的钝化效果增强,表面钝化效果好的器件的暗电流较小 ,导致噪声功率也减小。从
15、实验结果可以得出,器件的表面钝化是器件工艺中非常关键的一步,特别是对于原位掺杂成结器件,p-n 的侧面裸露,是引起漏电流增大的重要原因。同时也可以看出,器件的低频噪声主要来源于器件的表面,这与 M.Joshi8得出的结果是一致的,他认为低频噪声主要来源于 InP 保护层与钝化层的界面,而且噪声大小与表面复合电流成正比。在室温下,InGaAs 光电探测器的暗电流主要是扩散电流和产生-复合电流,产生-复合电流主要来自于空间电荷区载流子的产生-复合,以及来自于 InP/InGaAs 的界面。界面处存在的位错等缺陷是重要的产生-复合中心。根据耗尽区宽度 W=(2SVbias/qNB), 适当增大掺杂浓
16、度可以减小耗尽区宽度,进而能减小产生- 复合电流,这对于器件响应速度要求不高的情况是可行的。与黄杨程9测试的非掺杂 InGaAs层 SiNx 钝化的探测器相比,我们制作的硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化器件噪声小,拐点低, 主要是因为我们采用的外延材料对 InGaAs 层掺杂,并且加强了表面钝化,使器件的表面漏电流明显减小,极大地降低了器件的低频噪声。图 6 InGaAs 探测器在不同温度的噪声1/2我们曾经试验用频谱仪研究温度对器件低频噪声的影响,发现测试结果不理想,所以采用定点法测量,噪声频率中心为 1kHz,带宽为 100Hz。我们选取了聚酰亚胺单层钝化器件和硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化
17、器件各 20 个 ,测试了 278K 和 300K 时的噪声,测试结果如图6。从图中可以看出, 温度对噪声是有影响的,278K 与 300K 时器件噪声相比都减小,聚酰亚胺单层钝化器件平均噪声从 38.9V 降到30.1V,硫化 +ZnS/聚酰亚胺双层钝化器件由 28.5V 降到 22.8V 。主要是因为,温度降低使暗电流减小,进而减小了产生-复合噪声和散粒噪声。两种器件相比,硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化器件噪声较小 ,主要是因为钝化效果的增强。SEMICONDUCTOROPTOELECTRONICS Vol.30No.3June2009InGaAsdetectorarrayfor1.0-1
18、.7micronsJ.Proc.SPIE,1990,1341:432-437.MoyJP,HugonX,ChabbalJ,etal.3000InGaAsphotodiodemultiplexedlineararrayforthespot4SWIRchannelJ.Proc.SPIE,1989,1107:137-151. 黄杨程,刘大福,粱晋穗, 等.短波碲镉汞光伏器件的低频噪声研究J.物理学报,2005,54(5):2261-2266. TacanoM,KanayamaT,SugiyamaY.1/fnoiseinquarter-micronfilamentsofGaAsandInPmadeby
19、focusedion-beamimplantationJ.Solid-StateElectron.,1991,34:193-196.RenL,LeysMR.1/fnoiseatroomtemperatureinn-typeGaAsgrownbymolecularbeamepitaxyJ.PhysicaB,1991,172:319-323.JoshiAM,OslenGH,BanVS,etal.Reductionof1/fnoiseinmultiplexeslinearInGaAsdetectorarraysviaepitaxialdopingJ.IEEETrans.onElectronDevic
20、es,1993,40:303-307.黄杨程,梁晋穗,张永刚, 等.InGaAs 红外探测器低频噪声研究J.功能材料,2004,12:3397-3399.3 结论本文制备了聚酰亚胺单层钝化和硫化后 ZnS/聚酰亚胺双层钝化两种结构 InGaAs 探测器, 测试了不同正负偏压下器件的低频噪声谱,研究了偏压和温度对 InGaAs 探测器低频噪声的影响。随着偏压的增加,噪声增大,并且拐点向低频方向移动。降低温度使暗电流减小,进而减小了产生- 复合噪声和散粒噪声。结果表明硫化+ZnS/聚酰亚胺双层钝化器件在相同偏压下噪声小,拐点低, 拐点后产生-复合噪声也不明显, 并且相同温度下噪声较小。这主要是因为
21、表面钝化的改善,因为硫化处理和 ZnS 层使钝化效果增强, 器件的表面漏电流明显减小,极大地降低了器件的低频噪声。参考文献 :1 OlsenGH,JoshiAM,BanVS,etal.Multiplexed256elementInGaAsdetectorarraysfor0.8-1.7mroom-tempertureoperationJ.Proc.SPIE,1988,972:279-285.2 KozlowskiLJ,TennantWE,ZandlanM,etal.SWIRstaringFPAperformanceatroomtemperatureJ.Proc.SPIE,1996,2746:9
22、3-100.3 OlsenG,JoshiA,LangeM,etal.A128128945678作者简介:吕衍秋(1978-),男 ,山东汶上人,博士,主要从事光电器件的研究。E-mail:(上接)21 CorcoranCJ,DurvilleF.Experimentaldemonstrationofaphase-lockedlaserarrayusingaself-FouriercavityJ.Appl.Phys.Lett.,2005,86(20):201118.22 CorcoranCJ,DurvilleF,PaschKA.Spatialfilteringoflargemodeareafibe
23、rlasersusingaself-FouriercavityforhighpowerapplicationsJ.J.Opt.A:PureApp.Opt.,2007,9:128-133.23 BochoveEJ,CorcoranCJ.In-phasesupermodeselectioninamulticorefiberlaserarraybymeansofaself-FourierexternalcavityJ.Appl.Opt.,2007,46(22):5009-5018.24 MorelJ,WoodtliA,DandlikerR.CoherentcouplingofanarrayofNd-
24、dopedsingle-modefiberlasersbyuseofanintracavityphasegratingJ.Opt.Lett.,1993,18(18):1520-1522.25 WrageM,GlasP,FischerD.PhaselockinginamulticorefiberlaserbymeansofaTalbotresonatorJ.Opt.Lett.,2000,25(19):1436-1438.26 WrageM,GlasP,LeitnerM,etal.Phase-lockingandself-imagingpropertiesofaTalbotresonatorapp
25、liedtocircularstructuresJ.Opt.Comm.,2001,191:149-159.27 CheoPK,LiuA.Ahigh-brightnesslaserbeamfromaphase-lockedmulticoreYb-dopedfiberlaserarrayJ.IEEEPhoton.Technol.Lett.,2001,13(5):439-441.28 BochoveEJ,CheoPK.Self-organizationinamulticorefiberlaserarrayJ.Opt.Lett.,2003,28(14):1200-1202.29 HuoY,CheoPK
26、,KingGG.Fundamentalmodeoperationofa19-corephase-lockedYb-dopedfiberamplierJ.Opt.Express,2004,12(25):6230-6239.30 KurkovAS,ParamnovVM,DianovEM.Fiberlaserbasedon4-coreYb-dopedfiberandmultimodeBragggratingJ.LaserPhys.Lett.,2006,3(9):441-444.31 MichailleL,BennettCR,TaylorDM.PhaselockingandsupermodeselectioninmulticorephotoniccrystalfiberlaserswithalargedopedareaJ.Opt.Lett.,2005,30(13):1668-1670.作者简介:范馨燕(1981-),女 ,山西省太谷人,博士研究生,主要从事光纤激光相干合成技术的研究。E-mail:fanshong
