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砷化銦鎵 PIN紅外光檢測器之改善光響應度研究
Methods for improving the photoresponse of InGaAs PIN photodiode
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摘要
利用MOCVD將磷化銦/砷化銦鎵(InGaAs)成長於磷化銦之基板的磊晶片，進行鋅擴散之研究與後續製程設計以達在近紅外光波段具有高響應度(Responsivity)並且低暗電流(Dark current)之大面積紅外光檢測器，並從中嘗試改善光響應度。 光響應度改善的方法主要集中於擴散製程、抗反射層以及背面高反射的材料使未吸收完全之紅外光，可獲得再次吸收。暗電流的降低，我們著手於藉由擴散製程的條件變化，希望暗電流降低，比較了普通的高溫擴散、擴散後再活化與鈍化後的低溫再擴散，於暗電流方面我們做了某些探討，其中關於活化能萃取以及面積與對於暗電流的趨勢，以及逆偏的表現中得到的訊息，判斷何者對於低暗電流有較適合的擴散行為，其中發現於鈍化後的再次低溫擴散，可以有極低的暗電流，元件完成後有480pA 的暗電流於逆偏5V的情況下，其暗電流密度達9.55 ╳ 10-7 A/cm2。 於響應度方面的改善，探討雙層抗反射層中具有透明導電膜與一般絕緣材料的比較，在一般的絕緣材料中，在紅外光波段具有極低的穿透率（低於1%），其元件的特性，在1550nm的最大響應度可達1.082 A/W，於1312nm的最大響應度則是1.01 A/W，但紅外光源提升功率時，如預期的，在功率提升的同時，吸光區中心開始受到橫向效應(lateral effect)影響，中心的響應度開始下降，整體的響應度也開始隨著光功率的提高而遞減，致使光響應的均勻度不佳。 為了改善橫向效應而使用了Ga-doped ZnO，在ALD的成長，氧的來源自水氣分解，一般相信在Ｃ－Ｈ，Ｏ－Ｈ，Ｃ－Ｏ等官能基在紅外譜有相當程度的反射，穿透率於紅外光的表現也較差，因此改用額外增設的氧電漿分解水氣以提供氧氣，預期在紅外光具有較高的穿透效果，但此抗反射層在紅外光的反射約為5%，因此響應度的略低於一般絕緣的抗反射層是可預期的，其最高的響應度於1550nm為1.032 A/W，1312nm則為0.98 A/W，低功率下有非常均勻的響應度，與一般絕緣材料相同，期望在高功率的情況下也能夠有如此的情況，藉由犧牲部分的響應度，以獲得更均勻的響應度表現。但隨著光源強度的提高，GZO開始無法提供導電路徑，當雷射光源為3 dBm時，響應度的衰減較另一組劇烈，其原因為P型InP與GZO的接觸存在一個位能障，再加上大量的載子在吸收層產生生造成庫倫力影響了載子傳輸，且這些載子形成的電子雲的強度開始影響到內建電場對載子的分離能力，導致穿過位能障的機率下降；但是當功率持續提高，橫向電阻影響更劇烈時，我們認為是在高強度的光源下，不但光子產生電子電洞對後，因大量的載子產生而提高了復合的機會以致量子效率下降。造成的原因可能在穿隧的能障太厚，使穿隧的機率在高功率時開始下降，再無法提供好的導電路徑情況下，橫向電阻效應仍然存在，加上位能障的影響，使得在響應均勻度上的表現更差，導電膜於P+ InP表面的位能障無法克服造成了響應度的劣化。 另一方面我們著手於背面高反射材料，以提高吸收係數較低的紅外光波段，可以有再次吸收的效果，由於InGaAs材料在1400nm後吸收係數開始衰減，導致量子效率不足，在我們沒使用背面結構設計之前，在1400nm後也可以看出量子效率從原本在1000nm至1400nm大於90%的表現開始衰減至1650nm約為80%左右，在大於1650nm的波段由於吸收係數的劇烈衰減，量子效率大幅下滑至30%以下，從中我們去做了加逆向偏鴨的測試，逆向偏壓的效果在1400nm至1650nm區間有較明顯的改善，判斷是電場受到偏壓的增強而具有更好的分離電子電洞對的能力，但仍無法再1650nm後有顯著的改善。但我們完成背面設計後，原本只有30%以下的量子效率，可以改善至約有60%的量子效率，因此我們的光檢測器可以克服在波長較大時的吸收係數衰減，可以延伸光檢測器於紅外光的波段。
並列摘要
We using the InGaAs PIN epi-wafer to realize the NIR photodiode, it has high responsivity and low dark current with large aperture size. We find that secondary diffusion after passivation would decrease the dark current, the dark current is lower dependence on radius than single diffusion, and the activation energy is more closed to ideality than single diffusion. We has two types for anti-reflection coating on photodiode, typically, the double layer ARC which combine with dielectrics, another one, depositing a TCO film on P+ InP surface, we hope that would improve lateral effect. For dielectrics type ARC, it has very low reflectivity at IR region (especially 1300~1600 less than 1%), the peak responsivity of photodiode with this ARC was 1.082 A/W at 1550nm and 0.98 A/W at 1312nm. The reflectivity of another one isn’t better than dielectrics (the reflectivity at IR about 3~7%), we need a conductive path to improve lateral effect at high power illumination. Although the peak value of responsivity with TCO film was 1.01 A/W at 1550nm and 0.94 A/W at 1312nm, the responsivity decreased seriously as power increase. Because of the interface exists a barrier height between GZO and P-type InP. This problem can overcome by reverse-bias, but the low absorption at long wavelength, we apply backside double path to improve it. The improvement is obvious, the increasing of quantum efficiency from 1400- 1750 nm, especially >1700 nm. The limitation by the reduction of InGaAs absorption coefficient is serious when wavelength > 1700 nm. It has advantage to extend the detecting band.
參考文獻
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