利用混合平面/体异质结实现的高效近红外到可见光量子点上转换器件

本研究开发了适用于宽禁带InGaAs光电探测器材料的湿化学蚀刻剂，通过系统比较优化了HF-H2O2混合蚀刻体系，解决了高In组分InGaAs材料中位错密度检测精度不足的问题，可检测低至10^6 cm-2量级的位错密度。

　　

刘浩铮|顾毅|刘博文|于一珍|周宏|杨波|邓双燕|李水星|陈晓娟|吴琼|于春雷|马英杰|李涛|李雪

中国科学院上海技术物理研究所，国家红外探测技术重点实验室，上海，200083，中国

摘要

本研究开发了用于评估长波长InGaAs光电探测器材料中位错密度的湿化学腐蚀剂。对各种腐蚀剂进行了系统的比较，以评估它们在揭示材料表面与位错相关的蚀坑方面的有效性。特别为长波长InGaAs光电探测器材料开发了一种基于HF-H₂O₂的腐蚀剂。优化了腐蚀剂成分的比例，以便即使对于缺陷密度非常低的样品也能可靠地评估位错密度。这种腐蚀剂为先进红外光电探测器的开发过程中的质量控制和失效分析提供了一种实用且高效的方法。

引言

短波红外（SWIR）基于磷化铟（InP）的铟镓砷（InGaAs）光电探测器（PDs）已在夜视[1]、医学成像[2]、红外成像和雷达系统[3]中得到广泛而成功的应用。这主要是由于它们具有较高的工作温度、易于生长高质量晶体、高量子效率以及强大的抗辐照性能。目前，InGaAs PDs正朝着更大的阵列、更低的暗电流和更小的像素间距发展[4]。增加铟（In）的成分会使晶格常数从5.653 ?增加到6.058 ?[5]，同时将带隙从1.42 eV缩小到0.35 eV[6]。当In的组成为0.53时，In_0.53Ga_0.47As能够与InP衬底实现晶格匹配[7]。长波长InGaAs材料具有宽的光谱响应范围和出色的整体性能。这使得探测器的响应光谱可以从传统的1.7 μm扩展到2.6 μm甚至更长，从而覆盖更多气体分子和物质的特征吸收线。这为光谱分析和环境监测等应用提供了关键支持。然而，这种增加的In成分以及随之而来的晶格常数的扩大，与InP衬底之间产生了晶格失配。这种失配在外延生长过程中引入了显著的应变。随后这种应变的松弛会引发诸如 threading dislocation（串位错）形成等有害效应[8]。这些缺陷阻碍了晶格失配的InGaAs获得与晶格匹配的InGaAs相当的电子性能。因此，高质量制备高In成分的长波长InGaAs红外探测器材料已成为短波红外探测的关键研究焦点。

尽管外延生长技术的进步大大改善了对晶圆翘曲和缺陷的控制，但管理位错密度仍然是一个关键的研究挑战。这是因为位错密度显著影响长波长InGaAs PDs的噪声和暗电流性能[9]。

串位错密度（TDD）是用于评估晶格失配外延材料的一个广泛使用的物理参数。为了表征TDD，研究人员传统上使用横截面透射电子显微镜（XTEM）和平面透射电子显微镜（PVTEM）来测量位错密度。随着长波长InGaAs外延层的晶体质量得到显著提高，大量的研究工作致力于位错的抑制。目前，长波长InGaAs吸收层中的TDD已经降至大约10⁶ cm^?2的水平，接近传统TEM技术的检测极限[10,11]。因此，需要新的表征方法来准确评估高质量长波长InGaAs材料中的位错。

除了TEM之外，其他可能的位错表征方法还包括光学显微镜（OM）[12]、X射线衍射（XRD）[13]、光致发光（PL）[14]、原子力显微镜（AFM）[15]、电子通道对比成像（ECCI）[16]、电子束诱导电流（EBIC）[17]和蚀坑密度（EPD）[18]。其中，OM、XRD、PL和AFM可以实现位错密度的无损测量[[13], [14], [15]]。然而，XRD和PL的结果缺乏视觉清晰度和直接的可解释性[13,14]；OM和AFM仅限于表面位错的成像[15]；EBIC和ECCI需要配备精确束流控制和晶体学对准能力的专用扫描电子显微镜（SEM）[16]。

EPD是一种广泛采用且实用的位错和缺陷表征方法。该方法基于这样的原理：化学腐蚀剂对晶体缺陷的攻击速率高于对周围完整晶格的攻击速率。这种差异性腐蚀在位错位置形成肉眼可见的蚀坑，可以使用OM或SEM进行量化。尽管一些研究已经报告了低In成分InGaAs材料的EPD结果[19]，但对于超过1.7 μm的PD截止波长的高In成分InGaAs材料，相关研究较少。为了填补这一空白，本研究旨在开发一种专门适用于长波长InGaAs PD材料的有效腐蚀剂配方。

样本制备

InGaAs PD材料样品是通过分子束外延（MBE）生长的。相应的外延结构如图1所示。基于InP的晶格匹配In_0.53Ga_0.47As PD材料作为参考样品，显示在图1a中。高In成分的InGaAs PD材料显示在图1b中。使用成分渐变的铟铝砷（InAlAs）缓冲层有助于将大部分错配位错限制在InAlAs缓冲层内[20]。通常，InAlAs覆盖层

腐蚀剂和蚀刻过程

腐蚀剂是揭示EPD效果的最重要参数。一般来说，存在两种用于III-V材料EPD蚀刻的腐蚀剂类型。一种是碱性腐蚀剂，例如熔融的氢氧化钾（KOH），通常需要200-400°C的高温[22]。另一种更常用的类型是酸性腐蚀剂，主要由酸、氧化剂和其他添加剂组成。

尽管对于高In含量的长波长InGaAs，EPD腐蚀剂的研究报道较少

腐蚀剂的效果

图4显示了使用不同腐蚀剂蚀刻后的外延材料的典型图像。如图4a所示，使用HCl蚀刻后未检测到明显的蚀坑或表面特征。HCl蚀刻仅产生了一个明显的表面特征：图4a插图中可见的大而连续的平滑区域（直径100–1000 μm）。在这些区域内，表面被平滑地蚀刻了。相比之下，周围区域显示出更粗糙的形态，并有残留物

结论

本研究系统地评估了用于揭示长波长InGaAs PD材料中位错的湿化学腐蚀剂。发现HF-H₂O₂混合腐蚀剂系统最为有效，能够产生定义明确的与位错相关的蚀坑。当HF:H₂O₂比例为1:5到1:1时，这种腐蚀剂被确定为最适合基于InP的长波长InGaAs PD结构的腐蚀剂。优化后的腐蚀剂被用来评估不同成分的InGaAs材料。EPD

CRediT作者贡献声明

刘浩铮：撰写——原始草稿、研究、数据管理、概念化。顾毅：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。刘博文：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。于一珍：方法论、研究。周宏：研究。杨波：资源准备。邓双燕：资源准备。李水星：研究。陈晓娟：方法论。吴琼：方法论。于春雷：监督。马英杰：监督。李涛：监督。李雪：

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报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了国家重点研发计划资助项目（项目编号：2022YFB3904803）、国家自然科学基金（项目编号：62475272和62274169）以及上海市自然科学基金（项目编号：22ZR1472600）的支持。