延展波长InxGa1-xAs红外探测器表面钝化机理研究

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探测器的暗电流是决定探测器性能的关键参数。在台面延展波长InxGa1-xAs红外探测器中,表面复合电流是暗电流的重要组成部分。本文研究了电感耦合等离子体CVD (ICPCVD)和等离子体增强CVD (PECVD)两种工艺条件制备的SiNx钝化膜对台面InxGa1-xAs探测器暗电流的影响。通过C-V特性,PL谱,XPS能谱等实验分析了钝化工艺对探测器表面缺陷的影响,进一步通过TCAD仿真和第一性原理计算等明确了表面漏电流随工艺条件变化的物理原因和机制。实验结果为台面InxGa1-xAs红外探测器的表面优化提供了理论和实验依据。本论文的主要成果如下:1、对比研究了ICPCVD和PECVD两种表面钝化工艺制备的SiNx钝化膜对InxAl1-xAs/InxGa1-xAs/InP探测器表面结构和器件性能的影响。实验结果表明,与PECVD工艺相比,ICPCVD钝化工艺钝化后的器件的表面暗电流更低,在反偏电压VR=-0.5V时,ICPCVD工艺下的器件漏电流比PECVD工艺的降低了4倍;为了研究两种钝化工艺下器件的表面结构,进一步制备了Au/SiNx/In0.83Al0.17As金属-绝缘层-半导体(MIS)器件,通过C-V曲线测量,发现ICPCVD工艺钝化后,In0.83Al0.17As表面的快态和慢态缺陷密度比PECVD工艺钝化的小。XPS谱分析表明,相比于PECVD工艺,ICPCVD工艺制备的SiNx膜更有效地抑制InAlAs表面的In悬挂键,表现出良好的界面性能和钝化效果。2、研究了ICPCVD工艺中N2/SiH4气体流量比对器件性能和表面结构的影响。PL谱和XPS谱分析结果表明,随着N2/SiH4气体流量比增加,SiNx薄膜中的辐射复合增加而InAlAs表面的N-In键和N-Al键的含量有了大幅度的提升;利用第一性原理进一步计算了SiN、薄膜中的N与InAlAs表面的In和Al悬挂键结合能,从理论上验证了XPS谱实验结果的正确性。当N2/SiH4气体流量比为1.55时,InxAl1-xAs/InxGa1-xAs/InP探测器的表面漏电流最低。
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