利用Al?O?/SiN?双层钝化技术提升In0.53Ga0.47As/InP光电探测器的性能

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Boosting the performance of In 0.53Ga 0.47As/InP photodetectors with Al 2O 3/SiN x bilayer passivation technology

研究采用Al?O?/SiN?双层钝化层优化In?.??Ga?.??As/InP光电探测器性能，在1V反向偏压下暗电流降低67%，1550nm处响应度提升至1.10A/W，量子效率达91.8%。通过ALD和PECVD工艺实现界面钝化，有效抑制非辐射复合，提升器件光电性能。

　　这项研究聚焦于短波红外（SWIR）成像技术中一种关键材料系统的性能优化问题。短波红外技术因其在夜视、航空航天、工业检测、安全监控、火灾预警、资源勘探以及生物医学成像等领域的广泛应用，成为现代光学和电子技术中的重要组成部分。随着技术的不断发展，对SWIR成像设备的性能要求也日益提高，尤其是在暗电流、量子效率、响应速度和饱和光电流等关键指标方面。为了满足这些需求，研究者们不断探索新的材料结构、生长工艺和表面钝化策略，以提升设备的整体性能。

在众多SWIR成像技术中，基于InGaAs（铟镓砷）的光电探测器因其出色的性能而受到广泛关注。InGaAs材料具有优异的量子效率、高载流子迁移率以及成熟的生长工艺，使其在室温条件下能够实现高效的光吸收和快速的响应速度。这些特性为InGaAs在便携式和微型化设备中的应用提供了极大的便利，因为其无需额外的冷却设备即可保持良好的性能表现。此外，InGaAs与InP（磷化铟）基板的晶格匹配特性进一步提升了材料的结晶质量，减少了缺陷密度，从而增强了光吸收效率和载流子传输性能。

然而，尽管InGaAs探测器已经进入商业化阶段，其在高灵敏度、低噪声和长寿命等方面的性能仍有待进一步提升。特别是在实际应用中，由于光刻和刻蚀工艺的存在，InGaAs材料的边缘可能会产生悬挂键等缺陷，这些缺陷会显著影响探测器的暗电流和光电响应性能。因此，如何有效抑制这些缺陷，成为提升InGaAs探测器性能的关键问题之一。

为了解决这一问题，研究者们提出了一种新型的表面钝化策略，即采用双层钝化结构，由Al?O?（氧化铝）和SiN?（氮化硅）组成。这种双层钝化结构被认为能够协同作用，有效减少界面态和体陷阱，从而降低非辐射复合路径。通过与传统的单层SiN?钝化进行系统的对比分析，研究发现双层钝化结构在多个方面表现出显著的性能提升。例如，在反向偏压为1 V的情况下，采用双层钝化的10 μm直径探测器的暗电流从单层钝化结构的132 pA降低至42.9 pA，降幅达到67%。同时，光电响应性能也得到了显著改善，其在1550 nm波长下的响应度从0.93 A/W提升至1.10 A/W，量子效率在1310 nm和1550 nm波长下分别达到91.8%和88%。此外，在-2 V偏压下，饱和光电流从6.26 mA增加至9.55 mA，进一步证明了双层钝化结构对提升探测器性能的有效性。

这些性能提升的实现，归因于Al?O?和SiN?在不同层面的协同作用机制。Al?O?主要通过减少界面态来抑制暗电流，而SiN?则通过抑制体陷阱来降低非辐射复合效应。这种双层钝化结构不仅能够有效改善材料表面的电学特性，还能优化其光学响应性能，从而提升整体设备的性能表现。更重要的是，这种策略为InGaAs/InP材料系统提供了一个理想的平台，使研究者能够更精确地评估钝化效果，并进一步推动高灵敏度、低噪声的光电探测器的发展。

研究团队采用了原子层沉积（ALD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，成功地在晶格匹配的InGaAs/InP PIN光电探测器上沉积了Al?O?/SiN?双层钝化结构。通过系统的实验和数据分析，研究团队对双层钝化结构的性能进行了全面的评估。实验结果表明，双层钝化结构在多个关键指标上表现出优于传统单层钝化的性能，包括暗电流、响应速度、量子效率和饱和光电流等。这些数据的获取不仅有助于深入理解双层钝化机制的作用，也为未来的器件设计和优化提供了重要的理论依据。

此外，研究团队还对InGaAs/InP材料系统的生长工艺进行了深入探讨。由于InGaAs与InP基板的晶格匹配特性，其在生长过程中能够保持较高的晶体质量，减少缺陷密度。这种高质量的材料系统为表面钝化研究提供了良好的基础，使得研究者能够更准确地评估钝化策略的效果。同时，研究还指出，传统的单层钝化方法在抑制暗电流和提升光电响应方面存在一定的局限性，例如钝化效果不够全面、界面兼容性较差等。而双层钝化结构则能够克服这些技术瓶颈，提供更全面的保护，从而显著提升器件的性能表现。

这项研究不仅验证了双层钝化策略在InGaAs/InP材料系统中的有效性，还为优化表面工程提供了新的思路。通过深入分析双层钝化结构的组成和作用机制，研究团队揭示了其在抑制暗电流和提升光电响应方面的关键作用。这一发现对于推动下一代红外成像和高速光通信技术的发展具有重要意义。同时，研究还强调了表面钝化在提升器件性能中的重要性，尤其是在减少边缘缺陷和优化材料表面质量方面。

未来的研究方向可以进一步探索不同钝化材料组合对器件性能的影响，以及如何在不同波长范围内优化钝化效果。此外，还可以研究钝化工艺对材料生长和器件性能之间的相互作用，以实现更精确的性能调控。通过这些研究，有望开发出更加高效、稳定和可靠的InGaAs/InP光电探测器，从而满足不断增长的SWIR成像技术需求。

研究团队在本项工作中采用了多种实验方法，包括对暗电流特性的测量、温度依赖性的分析、响应性能的评估以及量子效率和饱和光电流的测试。这些实验不仅验证了双层钝化结构的有效性，还为优化钝化工艺提供了重要的数据支持。通过系统的实验设计和数据采集，研究团队能够更全面地评估不同钝化策略对器件性能的影响，从而为未来的器件开发和优化提供科学依据。

此外，研究团队还对InGaAs/InP材料系统的生长工艺进行了优化，以确保材料的高质量和均匀性。这种优化不仅有助于提高器件的性能表现，还能够为后续的钝化研究提供良好的基础。通过深入分析材料生长过程中的各种参数，研究团队能够更精确地控制材料的厚度、成分和表面形貌，从而提升器件的整体性能。

在本项研究中，研究团队还特别关注了双层钝化结构在不同环境条件下的稳定性。通过测试在不同温度下的暗电流特性，研究团队发现双层钝化结构在高温环境下依然能够保持良好的性能表现，从而证明其在实际应用中的可靠性。这一发现对于推动InGaAs/InP光电探测器在高温环境下的应用具有重要意义。

综上所述，这项研究为InGaAs/InP光电探测器的性能提升提供了新的思路和方法。通过采用双层钝化结构，研究团队成功地降低了暗电流，提升了光电响应性能，为下一代红外成像和高速光通信技术的发展奠定了基础。这些研究成果不仅具有重要的科学价值，也为实际应用提供了重要的技术支持。未来，随着技术的不断进步，这种双层钝化策略有望在更广泛的领域中得到应用，进一步推动光电探测器的发展。