用于评估位错情况的湿法蚀刻行为在长波长InGaAs光电探测器材料中的应用

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Wet etching behavior for dislocation evaluation in extended-wavelength InGaAs photodetector materials

本研究开发了基于HF-H2O2的湿化学蚀刻剂，优化了组分比例，有效评估了高铟含量InGaAs光电探测器中的位错密度，解决了低缺陷密度样品的检测难题，为器件质量控制和失效分析提供了实用方法。

　　

刘浩铮|顾毅|刘博文|于一臻|周红|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红外探测技术国家重点实验室，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蚀刻剂。通过对各种蚀刻剂进行系统比较，评估了它们在揭示材料表面与位错相关的蚀刻坑方面的有效性。特别为长波长InGaAs光电探测器材料开发了一种基于HF-H₂O₂的蚀刻剂。优化了蚀刻剂成分的比例，即使对于缺陷密度非常低的样品也能实现可靠的位错密度评估。这种蚀刻剂为先进红外光电探测器的开发过程中的质量控制和故障分析提供了一种实用且高效的方法。

引言

短波红外（SWIR）磷化铟（InP）基砷化铟镓（InGaAs）光电探测器（PD）已在夜视[1]、医学成像[2]、红外成像和雷达系统[3]中得到广泛应用并取得成功。这主要归功于它们的高工作温度、易于生长高质量晶体、高量子效率以及出色的抗辐照性能。目前，InGaAs PD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的成分为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优异的整体性能，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扩展会导致与InP衬底的晶格失配。这种失配会在外延生长过程中引入显著的应变，随后的应变松弛会引发诸如位错缠结形成[8]等有害效应。这些缺陷阻碍了晶格失配的InGaAs实现与晶格匹配的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方向。

尽管外延生长技术的进步显著提高了对晶圆翘曲和缺陷的控制能力，但管理位错密度仍然是一个关键的研究挑战。这是因为位错密度会严重影响长波长InGaAs PD的噪声和暗电流性能[9]。

位错缠结密度（TDD）是用于评估晶格失配外延材料的一个常用物理参数。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。现在，长波长InGaAs吸收层中的TDD已经降至约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]和蚀刻坑密度（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仅限于成像表面上的位错[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：化学蚀刻剂对晶体缺陷的侵蚀速率高于对周围完整晶格的侵蚀速率。这种差异性蚀刻会在位错位置形成肉眼可见的蚀刻坑，可以使用OM或SEM进行量化。尽管一些研究已经报道了低In成分InGaAs材料的EPD结果[19]，但对于In成分较高、对应于PD截止波长超过1.7 μm的InGaAs材料的研究却很少。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材料的有效蚀刻剂配方。

样本制备

InGaAs PD材料样品是通过分子束外延（MBE）技术生长的。相应的外延结构如图1所示。图1a显示了基于InP的晶格匹配In_0.53Ga_0.47As PD材料作为参考样品，图1b显示了高In成分的InGaAs PD材料。使用成分渐变的铟铝砷化物（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

蚀刻剂和蚀刻过程

蚀刻剂是揭示EPD效果的最关键参数。一般来说，III-V材料的EPD蚀刻有两种类型的蚀刻剂：一种是碱性蚀刻剂，如熔融氢氧化钾（KOH），通常需要200-400°C的高温[22]；另一种更常用的类型是酸性蚀刻剂，主要由酸、氧化剂和其他添加剂组成。

尽管针对高In含量的长波长InGaAs的EPD蚀刻剂报道较少

蚀刻剂的效果

图4展示了使用不同蚀刻剂蚀刻后的外延材料典型图像。如图4a所示，使用HCl蚀刻后未检测到明显的蚀刻坑或表面特征。HCl蚀刻仅产生了一个明显的表面特征：图中插图所示的大而连续的平滑区域（直径100–1000 μm）。在这些区域内，表面被均匀蚀刻。相比之下，周围区域表现出更粗糙的形态，并有残留物

结论

本研究系统评估了用于揭示长波长InGaAs PD材料中位错的湿化学蚀刻剂。发现HF-H₂O₂混合蚀刻体系最为有效，能够生成定义明确的与位错相关的蚀刻坑。当HF:H₂O₂比例为1:5到1:1时，该蚀刻剂被认为是最适合InP基长波长InGaAs PD结构的。优化的蚀刻剂被用来评估不同成分的InGaAs材料。

CRediT作者贡献声明

刘浩铮：撰写——原始草稿、研究、数据管理、概念构思。顾毅：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。刘博文：撰写——审稿与编辑、方法论、研究。于一臻：方法论、研究。周红：研究。杨波：资源提供。邓双燕：资源提供。李水星：研究。陈晓娟：方法论。吴琼：方法论。于春雷：指导。马英杰：指导。李涛：指导。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。