GaAs基InAsSb势垒型红外探测器的MOCVD生长与器件研究

InAsSb material system has been of great interest in infrared detector applications due to its characteristics such as wide wavelength tunability, low bandgap-to-composition sensitivity and long minority carrier lifetime. We propose to grow and fabricate InAsSb/AlAsSb and InAsSb/InAlSb barrier detectors on GaAs substrate by MOCVD. We take the advantage of MOCVD such as high growth temperature, easy dislocation movement and low cost to grow high-quality large-size InAsSb alloy with arbitrary compositions on GaAs. To suppress the adverse affects of dislocations and other defects resulting from large lattice mismatch, an electron barrier is employed in the device structure to reduce the G-R current and the band alignment is carefully engineered to promote the transport of minority carriers and impede the transport of major carriers. We will establish the growth windows of InAsSb and AlAsSb/InAlSb materials on GaAs substrate for high structural quality and low background impurity, and explore the approaches to improve device performances relevant to structure design and device processing. Through the implementation of this project, we expect to develop high-performance InAsSb barrier infrared detectors at low cost based on MOCVD technology and bandgap engineering.

InAsSb材料体系具有吸收波长易调谐、带隙对组分不敏感、少子寿命长等特点，非常适合制作中波与长波红外探测器。本项目拟开展GaAs衬底上InAsSb材料的MOCVD外延生长与InAsSb/AlAsSb或InAsSb/InAlSb势垒型探测器制作的研究。利用MOCVD生长温度高、位错易滑移、成本低等优点在GaAs衬底上制备大尺寸、高品质、任意组分的InAsSb外延层，通过电子势垒结构抑制红外探测器中的产生-复合电流，减小由晶格失配产生的位错和缺陷的影响，并对异质结能带和载流子输运进行科学调控。探索在大失配体系下低位错密度、低杂质浓度的InAsSb吸收层和AlAsSb、InAlSb势垒层的生长方法，研究探测器结构、掺杂、工艺对器件光电性能的提升手段。通过本项目的实施，将推进GaAs基锑化物材料和器件的MOCVD技术发展，开拓红外探测器兼顾性能提升与成本控制的新途径。

本项目开展了基于金属有机化学气相沉积(MOCVD)外延技术的InAsSb势垒型红外探测器研究，在GaAs与GaSb衬底上生长了多种含锑化合物，包括GaSb、InSb、AlSb、AlAsSb与InAsSb，重点优化了GaAs基InAsSb薄膜的生长，并对含有AlSb势垒层的InAsSb薄膜进行了器件制备与性能验证。其中，500℃下V/III比3.2生长的2μm厚度InAs0.81Sb0.19薄膜的双晶XRD回摆曲线半宽662arcsec，室温电子迁移率1.8E4cm2V-1s-1，该结果与已报道的MBE生长材料质量相当。然而，由于低温InAsSb在高温(600℃)AlSb之后生长，AlSb的粗糙表面与较差的晶体质量对后续薄膜生长产生了不利影响，造成最终的器件难以实现光电探测。. 随后，选择适合MOCVD技术的研究路线，开发了锑化物的P型扩散工艺，在InAsSb薄膜上进行选区Zn扩散，采用平面探测器工艺制备了InAsSb红外探测器。通过在薄膜中形成PN结以及在表面附近形成Schottky结，降低了器件暗电流，最终成功实现了GaAs衬底上InAsSb材料的中波红外探测。在85K下，截至波长5.5μm，零偏下黑体响应度峰值3.0A/W，4.1μm处达到峰值探测率5E11cm·Hz1/2/W，探测器可高温工作，160K下的峰值探测率为1E9cm·Hz1/2/W。这是在国内外首次将基于MOCVD扩散工艺的平面器件技术应用于InAsSb异质外延薄膜并成功实现了在中红外波长的探测，85K下的器件性能与美国IQE公司已报道的GaSb衬底上InAsSb势垒探测器在150K下的性能相当。此外，该平面探测器表现出对称的IV曲线与非对称的黑体响应度曲线，对此还进行了建模与能带计算，对光生载流子的产生与输运机理进行了分析。. 该探测器仍有拓展波长与性能提升的潜力，本项目在材料生长与器件制备方面的研究结果有望推动国内基于MOCVD技术的锑化物外延以及异质外延锑化物薄膜的红外探测应用。