Superred InAs/GaSb P⁺–π–M⁺ de alto rendimiento, vulcanizada anódicamente y pretratada con compuerta, para detección infrarroja de larga longitud de onda

Resumen

El detector infrarrojo de superred InAs/GaSb se ha desarrollado con gran esfuerzo. Sin embargo, su rendimiento, especialmente en detectores de infrarrojo de larga longitud de onda (LWIR), sigue limitado por el desempeño eléctrico y la eficiencia cuántica óptica (QE). Forzar la región activa a ser tipo p mediante dopaje adecuado mejora notablemente la QE, y la técnica de compuerta permite mejorar significativamente el desempeño eléctrico. No obstante, el voltaje de polarización de saturación resulta demasiado alto. Reducir este voltaje abre amplias perspectivas para el control por voltaje de compuerta.

En este trabajo se reporta que detectores LWIR P⁺–π–M–N⁺ de InAs/GaSb con compuerta, sometidos a un pretratamiento de vulcanización anódica simple y eficaz, presentan un voltaje de saturación mínimo reducido a −10 V con una capa de SiO₂ de 200 nm. Este valor es mucho menor que los −40 V reportados para estructuras similares con la misma capa de pasivación. La caracterización óptica y eléctrica indica que un dopaje excesivo debilita tanto el desempeño eléctrico como el óptico. A 77 K, la longitud de onda de corte al 50 % es ~8 µm y al 100 % ~10 µm; la eficiencia cuántica máxima alcanza 62,4 %, la responsividad máxima 2,26 A/W a 5 µm, y el producto RA máximo 1259,4 Ω·cm². La detectividad específica del detector dopado a 780 °C sin electrodo de compuerta alcanza un pico de 5,6 × 10¹⁰ cm·Hz¹/²/W a 5 µm con 70 mV de polarización inversa, más de tres veces la del dopado a 820 °C. Además, aplicando −10 V en la compuerta, la detectividad pico aumenta a 1,3 × 10¹¹ cm·Hz¹/²/W a 5 µm con solo 10 mV de polarización inversa.

Introducción

Las superredes de capas tensadas tipo II (T2SL) han cobrado gran relevancia desde su propuesta. El diseño cuidadoso de la estructura de bandas y la tensión permite detectores infrarrojos de alto rendimiento. La superred InAs/GaSb, miembro destacado de las T2SL, muestra gran potencial en detectores infrarrojos. A pesar de los avances, el rendimiento LWIR sigue limitado por características eléctricas y QE. La temperatura ambiente (~300 K) corresponde a un pico de emisión a 9,6 µm (ventana atmosférica LWIR), con aplicaciones en detección de gases, visión nocturna, alerta temprana, teledetección y guiado infrarrojo, tanto militares como civiles. Fabricar detectores LWIR de alto rendimiento es un reto significativo.

El diseño estructural y la preparación del proceso influyen decisivamente. Aumentar el espesor de la región activa mejora la QE, pero introduce más centros de trampa, degradando las características eléctricas. En detectores LWIR y VLWIR, la capa de InAs suele ser más gruesa que la de GaSb, resultando en material tipo n (portadores minoritarios huecos). Forzar la región activa a tipo p mediante dopaje adecuado aumenta la QE sin cambiar el tamaño del dispositivo. Sin embargo, un dopaje excesivo deteriora el desempeño eléctrico y óptico.

Además del dopaje en la región π, la técnica de compuerta se ha aplicado recientemente en detectores MWIR y LWIR para mejorar el rendimiento, pero requiere voltajes de compuerta muy altos. El voltaje de compuerta se expresa como σ = εε₀V/d. Los esfuerzos para reducirlo se han centrado en dieléctricos de alta κ (ej. Y₂O₃) o en reducir el espesor de la capa. Pocos estudios abordan la reducción de la densidad de carga interfacial. Aquí se emplea por primera vez la anodización para reducir drásticamente el voltaje de saturación. Se usa una mezcla de Na₂S·5H₂O y glicol etileno como solución vulcanizante. Durante el curado anódico, los átomos de azufre se combinan con enlaces colgantes en la superficie, cerrando canales conductivos, reduciendo la recombinación superficial y debilitando la densidad de carga superficial. Se obtiene una capa densa y uniforme de azufre elemental, recubierta luego con 200 nm de SiO₂. El electrodo de compuerta se coloca sobre el SiO₂. La reducción de la densidad de carga interfacial disminuye el voltaje de saturación.

En este estudio se fabrican detectores LWIR P⁺–π–M–N⁺ con pretratamiento de vulcanización anódica, operando a bajo voltaje de saturación de compuerta, basados en T2SL InAs/GaSb con diferentes niveles de dopaje en la región π. Los resultados confirman que no siempre un mayor dopaje mejora el rendimiento; un dopaje excesivo lo debilita. La vulcanización anódica reduce el voltaje de saturación a −10 V, frente a ~40 V en estructuras similares sin vulcanización y mismo espesor de SiO₂.

Métodos

Materiales y estructura

Los materiales se crecen en un sistema MBE GEN 20 de fuente sólida sobre sustratos GaSb (001) tipo n de 2 pulgadas. El detector LWIR de alto rendimiento adopta la estructura P⁺–π–M–N⁺. La figura 1 muestra el esquema del dispositivo, patrones de difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) y microscopía de fuerza atómica (AFM). La estructura consta de: buffer GaSb tipo P⁺ de 1300 nm; región P⁺ de 500 nm (8 ML InAs/12 ML GaSb, Be ~1×10¹⁸ cm⁻³); región π ligeramente dopada tipo P de 2000 nm (12 ML InAs dopado con Be a 780 °C, 800 °C, 820 °C / 7 ML GaSb); región M no dopada de 500 nm (18 ML InAs/3 ML GaSb/5 ML AlSb/3 ML GaSb); región N⁺ de 500 nm (18 ML InAs/3 ML GaSb/5 ML AlSb/3 ML GaSb, Si ~1×10¹⁸ cm⁻³); y capa cap N⁺ InAs de 30 nm. También se muestra la alineación de bandas simulada. Dado que el dopaje de la región π influye significativamente, se preparan tres muestras con temperaturas de dopaje Be de 780 a 820 °C.

La figura 2 muestra períodos de superred de 59,3 Å, 58,4 Å y 89,5 Å para contactos p, región activa p y capa M, con desajustes de red de 60 arcsec, 0 arcsec y 0 arcsec respectivamente. El ancho a media altura de las superredes es 32, 25 y 12 arcsec, indicando alta calidad interfacial.

La figura 3 muestra escalones atómicos con rugosidad RMS de 1,87 Å en área 10×10 µm.

Estructura y fabricación del dispositivo

El proceso es similar a la referencia [12]. Primero se deposita SiO₂ como máscara dura. Luego litografía estándar, apertura de máscara dura por ICP, grabado del mesa con ICP usando mezcla CH₄/Cl₂/Ar hasta la región P⁺. Se elimina el SiO₂ residual. A continuación, se sumerge un lado del wafer en solución mixta de sulfuro de sodio y glicol etileno, aplicando corriente constante y voltaje umbral. Se forma una capa de azufre en la superficie, cambiando la resistencia hasta alcanzar el voltaje umbral, completando la vulcanización. La capa de azufre se cubre con 200 nm de SiO₂. Nueva litografía abre ventanas a través del SiO₂ y azufre para contactos metálicos superior e inferior. Otra litografía define dos formas de electrodos: uno para diodo con compuerta (GD) y otro sin compuerta (UGD). Se deposita Ti (50 nm)/Pt (50 nm)/Au (300 nm) por haz de electrones. Finalmente, los electrodos superior, inferior y de compuerta se obtienen por lift-off.

La figura 4 ilustra la estructura GD. El ángulo de inclinación de la pared lateral se ajusta entre 80° y 85° para facilitar el depósito del contacto de compuerta. El electrodo de compuerta se sitúa en la pared lateral del SiO₂.

La figura 5 muestra que la mitad de los diodos en tres chips (dopaje Be 780 °C, 800 °C, 820 °C) se fabrican como GD, obteniéndose tanto GD como UGD. Resultan seis muestras: A (780 °C GD), B (780 °C UGD), C (800 °C GD), D (800 °C UGD), E (820 °C GD), F (820 °C UGD).

Resultados y discusión

La detectividad específica (D*) se calcula mediante D* = Ri / √(2qJ + 4kT/RA), donde q es carga electrónica, k constante de Boltzmann, T temperatura, Ri responsividad, J densidad de corriente oscura, RA producto resistencia-área. J y RA caracterizan el desempeño eléctrico; Ri se convierte en QE mediante QE = (hc/qλ)Ri.

La figura 6 muestra características ópticas a 77 K. Todas las muestras tienen longitud de onda de corte 50 % ~8 µm y 100 % ~10 µm. Aunque el dopaje tipo p aumenta QE y responsividad, no es mayor a mayor temperatura de dopaje. La QE y responsividad disminuyen al aumentar la concentración de dopaje. La QE máxima (62,4 %) se logra a 780 °C, 1,5 veces la de 820 °C. El exceso de impurezas reduce la vida media de portadores/exceso y longitud de difusión, disminuyendo QE y responsividad, y causa corrimiento al rojo espectral. La responsividad máxima es 2,26 A/W a 5 µm.

La figura 7 muestra características eléctricas de UGD a 77 K. El producto RA máximo (1259,4 Ω·cm²) ocurre con dopaje Be 780 °C a −200 mV, casi 40 veces el de 820 °C. La densidad de corriente oscura es similar en polarización negativa entre −0,1 y 0 V, siendo ligeramente menor para 780 °C (4,9×10⁻³ A/cm² a −70 mV).

La figura 8 presenta D* de UGD. A −30 mV, D* pico es 5,6×10¹⁰ cm·Hz¹/²/W a 5 µm para 780 °C, 1,5 veces el de 820 °C (3,8×10¹⁰). La concentración de dopaje óptima es crucial; un exceso debilita el dispositivo.

La figura 9 muestra características eléctricas de GD con dopaje Be 780 °C a 77 K. La vulcanización anódica reduce drásticamente el voltaje de saturación de compuerta. Se usa mezcla Na₂S·5H₂O/glicol etileno. La pasivación por vulcanización anódica forma capa densa de azufre elemental; los átomos de azufre se combinan con enlaces colgantes, cerrando canales electrónicos y aislando recombinación superficie electrón-hueco. Luego se cubre con 200 nm SiO₂ y compuerta en pared lateral. La figura 9 indica voltaje de saturación ~−10 V, cuatro veces menor que los ~40 V reportados sin vulcanización en estructura similar con mismo SiO₂. RA alcanza 25 Ω·cm² cerca de 0 V; la tendencia descendente se frena al aplicar ~−10 V. Con −10 V en compuerta, RA es 10 Ω·cm² a −0,3 V (40× sin polarización) y casi dos órdenes de magnitud menor a −0,6 V. La corriente oscura mínima es 2×10⁻⁴ A/cm² cerca de 0 V, reducida un orden a −0,3 V. Para polarización inversa alta (ej. −1 V), la corriente oscura disminuye con voltaje de compuerta y aumenta ligeramente más allá de −12 V. Para polarización baja (ej. −0,1 V), la corriente oscura parece aumentar con voltaje de compuerta, sugiriendo mecanismos de fuga distintos según polarización.

La figura 10 analiza tres etapas al variar voltaje de compuerta de −20 a −10 V a 77 K. Según referencias, la compuerta influye principalmente en la región π. Las etapas: (1) −20 a −10 V: pared lateral en condición plana o acumulación, corriente oscura aumenta ligeramente por interfaz de vulcanización; (2) −10 a −2 V: pared lateral en depleción, corriente aumenta suavemente; (3) −2 V a polarización positiva: ancho de depleción máximo y formación de capa de inversión, corriente oscura constante. Se explica por qué corriente generación-recombinación superficial a −0,5 V es mayor que a −0,3 V.

La figura 11 muestra que con compuerta a −10 V, D* de GD (780 °C) alcanza 1,3×10¹¹ cm·Hz¹/²/W a 5 µm, más del doble que sin polarización de compuerta (780 °C) y más del triple que sin polarización (820 °C). Un voltaje negativo adecuado en compuerta mejora significativamente el rendimiento.

Conclusiones

La Northwestern University (2017) reportó fotodetectores LWIR nBn basados en superredes tipo II InAs/InAs₁₋ₓSbₓ con longitud de onda de corte ~10 µm a 77 K, responsividad pico 2,65 A/W (QE 43 %), RA 664 Ω·cm², corriente oscura 8×10⁵ A/cm² a 80 mV, D* 4,72×10¹¹ cm·Hz¹/²/W. Nuestro dispositivo alcanza D* pico 1,3×10¹¹ cm·Hz¹/²/W a 5 µm y 0 V con −10 V en compuerta, comparable al nBn, aunque la uniformidad de RA del dispositivo es un punto débil.

Forzar la región activa a tipo p mediante dopaje en π mejora efectivamente detectores LWIR P⁺–π–M–N⁺ InAs/GaSb. Sin embargo, un dopaje excesivo reduce el desempeño eléctrico y óptico. A 77 K se obtiene QE máxima 62,4 % a 4,26 µm y responsividad máxima 2,26 A/W a 5 µm con dopaje Be 780 °C. RA máximo 1259,4 Ω·cm² con Be 780 °C. D* máximo 5,6×10¹⁰ cm·Hz¹/²/W a 5 µm con Be 780 °C. La vulcanización anódica reduce drásticamente el voltaje de saturación a −10 V (vs 40 V sin vulcanización, mismo SiO₂). Aplicar polarización negativa adecuada en compuerta mejora notablemente el rendimiento: D* máximo 1,3×10¹¹ cm·Hz¹/²/W a 5 µm y 0 V con −10 V en compuerta (Be 780 °C, 77 K). Limitados por equipamiento, se usó SiO₂ como dieléctrico; futuros experimentos considerarán dieléctricos Hi-K para reducir aún más el voltaje de compuerta.

Disponibilidad de datos y materiales

Los autores declaran que los materiales y datos están disponibles para los lectores sin restricciones indebidas. Todos los datos generados o analizados durante el estudio se incluyen en el artículo.

Abreviaturas

LWIR:

Detectores infrarrojos de larga longitud de onda

QE:

Eficiencia cuántica

T2SLs:

Superredes de capas tensadas tipo II

VLWIR:

Detectores infrarrojos de muy larga longitud de onda

MWIR:

Detectores infrarrojos de media longitud de onda

HRXRD:

Difracción de rayos X de alta resolución

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

ICP:

Plasma acoplado inductivamente

GD:

Diodo con compuerta

UGD:

Diodo sin compuerta

D*:

Detectividad específica

RA:

Producto de resistencia y área del chip

Ri:

Responsividad del detector infrarrojo

G–R:

Generación-recombinación