In_xGa_(1-xAs)（x = 0.53–0.93）基p-i-n光电探测器的电学性质与缺陷状态之间的相关性

《Materials Science and Engineering: B》：Correlation of electrical properties and defect states of In xGa 1-xAs (x = 0.53–0.93) based p-i-n photodetectors

InGaNAs光电二极管通过MOCVD制备，分析其J-V和T-J-V特性，发现铟含量增加至0.88时反向电流密度降至0.56×10?2 mA·cm?2，但理想因子上升至2.12，表明陷阱辅助复合增强。DLTS检测到高In含量样品中H1缺陷密度增至3.60×1013 cm?3，导致检测率下降至5.55×10? cm·Hz1?2/W。

　　

Kyoung Su Lee|Deogkyu Choi|Jiyeon Jeon|Byong Sun Chun|Sang Jun Lee|Eun Kyu Kim

韩国汉阳大学物理系与基础科学融合研究所，首尔04763

摘要

利用金属有机化学气相沉积系统制备了In_xGa_1-xAs（x = 0.53–0.93）基PIN光电二极管（PDs）。电流密度与电压（J–V）测量结果显示，随着In含量从0.53增加到0.88，-0.5 V时的反向电流密度从9.60 × 10^?2 mA·cm^?2降至0.56 × 10^?2 mA·cm^?2，理想因子从1.51增加到2.12，表明陷阱辅助复合作用增强。温度依赖的J–V分析表明，In_0.83Ga_0.17As和In_0.88Ga_0.12As的E_a,c值接近带隙能量的一半，说明Shockley–Read–Hall复合是主要机制。通过深能级瞬态光谱分析，在较高In含量下出现了H1和E2缺陷，H1缺陷密度从1.68 × 10¹³ cm^?3增加到3.60 × 10¹³ cm^?3。H1缺陷密度的增加导致探测率显著降低，从1.30 × 10¹⁰ cm·Hz^1/2/W降至5.55 × 10⁹ cm·Hz^1/2/W。

引言

1–3 μm短波红外（SWIR）波段的光电探测器（PDs）在许多应用中备受关注，如遥感、夜视成像、环境监测、单光子检测以及人眼安全的光检测和测距（LiDAR）[[1], [2], [3], [4]]。有多种材料可用于SWIR PDs，例如HgCdTe、GaSb和三元In_xGa_1-xAs[[5], [6], [7]]。其中，三元In_xGa_1-xAs因其在该范围内具有优异的吸收特性，被用作SWIR、中红外（MIR）和长波红外（LWIR）波段的吸收层[[8], [9], [10]]。此外，基于In_xGa_1-xAs的红外（IR）PDs具有高量子效率、超低暗电流等优点，适用于在低光照条件下获得更好的图像灵敏度[[11], [12], [13]]。

In_xGa_1-xAs三元合金系统在红外光检测中具有显著优势，其带隙可调，通过增加铟（In）的摩尔分数x（从0.53到0.85），可以将截止波长（λ_c）调整到大约1.7至3.0 μm[[14], [15], [16]]。这种波长可调性使In_xGa_1-xAs成为近红外和中红外PDs广泛应用的有希望的候选材料，包括光谱学、遥感和光通信。已经对In_0.53Ga_0.47As进行了大量研究，该材料与InP基底晶格匹配，并广泛应用于商业PDs[[17], [18], [19]]。然而，关于x > 0.53的In_xGa_1-xAs PDs的研究相对较少，尽管这些高In含量合金具有将检测范围扩展到更长波长红外的潜力，但其电学特性和缺陷相关行为仍需进一步探索[20,21]。因此，全面研究富In的In_xGa_1-xAs PDs的材料质量、缺陷状态和载流子传输机制对于进一步提高其性能（尤其是探测率）至关重要。

在本研究中，使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统制备了四种In_xGa_1-xAs PIN PDs，In含量范围为0.53至0.93，并通过电容-电压（C-V）和温度依赖的电流密度-电压（T-J-V）测量以及深能级瞬态光谱（DLTS）分析了PDs的电学特性和电流机制，以研究PDs内部缺陷对其电学特性和探测率的影响。

样品制备

样品制备

In_xGa_1-xAs PIN PDs是在（001）取向的n⁺-InP基底上使用Veeco D180 MOCVD系统制备的。In_xGa_1-xAs PD具有n⁺-InAs_xP_1-x变质缓冲层的PIN结结构。为了缓解底层变质堆栈引起的残余压缩应变，在过冲层上方加入了一个As含量x = 0.42–0.63的n⁺-InAs_xP_1-x缓冲层。随后在该层上生长了吸收层、窗口层和顶部接触层。

表征

样品结构

图1展示了In_0.53Ga_0.47As、In_0.83Ga_0.17As、In_0.88Ga_0.12As和In_0.93Ga_0.07As PIN PDs的示意图，显示了各组成层的厚度和掺杂浓度。In_0.53Ga_0.47As PIN PD的结构如图1(a)所示，该PD依次在n⁺-InP基底上生长了n⁺-InP缓冲层、InGaAs电子停止层（ESL）、p⁺-InP ESL、p⁺-In_0.53Ga_0.47As接触层、p⁺-InP窗口层和i-In_0.53Ga_0.47As吸收层。

总结

本研究使用MOCVD系统制备了In_xGa_1-xAs（x = 0.53–0.93）基PIN光电二极管（PDs）。通过J-V测量发现，随着In含量从0.53增加到0.88，-0.5 V时的反向电流密度从9.60 × 10^?2 mA·cm^?2降至0.56 × 10^?2 mA·cm^?2，理想因子n从1.51增加到2.12，表明在高In含量下通过陷阱辅助过程增强了载流子复合。T-J-V测量结果显示，In_0.83Ga_0.17As的E_a,c值接近...

CRediT作者贡献声明

Kyoung Su Lee：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。Deogkyu Choi：数据整理。Jiyeon Jeon：实验研究。Byong Sun Chun：资源提供。Sang Jun Lee：指导。Eun Kyu Kim：撰写 – 审稿与指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）（RS-2022-NR068557）的支持。