InSb单元及线列器件I-V特性失效分析

史梦然,史梦思

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

锑化铟(InSb)是一种闪锌矿结构的III-V族化合物半导体材料,在77 K条件下,InSb的禁带宽度为0.227 eV,这种材料能够吸收易于透过大气的3～5 μm中波红外光,因此广泛应用于中波红外探测器的研制。

InSb单元或线列光伏红外器件是一个光电二极管或多个并联的光电二极管。因此,其相应的光电特性描述符合经典的半导体理论。但是由于InSb红外器件制造工艺的特点,制造出的InSb器件光电参数往往会偏离理想设计参数。为此,我们必须对实际工艺制造出的器件性能进行检测和跟踪[1-2]。

2 InSb光电二极管

InSb红外光电器件是一种典型的半导体光电二极管器件。在无光照时,其I-V特性与一般的二极管相同。有光照时,I-V特性曲线发生位移,如图1(a)所示。在光照条件下,光电二极管上流过的总电流有三部分:1)光电二极管的光生电流；2)理想的二极管电流；3)表面漏电流。

I总=-IL+ID+GS·V

图1 光电二极管的电流

其中,光电二极管的PN结受光照时引起的光生电流为IL,其方向由N区指向P区,如图1(b)所示。理想的二极管电流是光电二极管外加偏压为V时,小注入引起的PN结扩散电流ID。ID与理想的PN结反向饱和电流有关,其方向由P区流向N区,与光生电流方向相反。表面漏电流与器件表面漏电导GS有关,由器件实际制造工艺决定,与表面钝化效果或表面预处理的方法或器件制备完成后的表面清洗效果等均有关[3-4]。

3 InSb器件I-V特性测试

在实际测量中,电流即可以使用配有基本源表的半导体参数分析仪测量得到,如HP4155、HP4156等,也可以使用普通的低阻电流表直接测量。在器件中测时,我们关注的测量值是InSb器件的直流特性参数,我们可以从背景辐射(300 K)的伏安特性曲线里直接读出反向饱和电流IO、短路光电流IS和开路电压VOC。根据不同型号的探测器的性能要求,观测开路电压(Voc)或是短路电流(Is)。除此之外,我们也可以借助阻抗曲线对器件的直流特性进行评价。

本文只讨论一种直观的简易的定性评判方法。一般情况下,反向平直,反向工作电压区间越大越好,但实际测量中满足零偏电流2倍处的偏压满足器件的反偏工作电压范围即可。除了评判标准,合理选取y轴的量程,即电流的量程和扫描电压的范围,对于直观判断器件I-V测试曲线是否合格至关重要。

如果InSb单元和线列器件I-V曲线正常,应当符合图2所示的I-V曲线的形状。正向特性基本垂直横轴,但略微倾斜,即正向特性与横轴正方向夹角趋近90°。正向特性及拐角处与结特性及电学接触好坏有关。反向特性应保持水平。反向特性影响红外探测器的信号大小,对于需要在加偏压工作的探测器,影响会更明显。反向特性与芯片表面状态、钝化效果、光敏面尺寸、结深大小都有关。

图2 合格的InSb器件I-V特性曲线

4 InSb器件I-V失效分析

如图3所示,虽然此I-V曲线正向正常,但反向存在60～100 mV左右的工作区间,由于反向过早,判定为不合格器件。此种现象在不合格的I-V测试中,所占比例较大。如果测试过程中无冷光源照射,此种现象主要是由于器件表面漏电严重造成的。这种现象主要与钝化层的钝化效果、钝化层与InSb的界面状态、钝化前表面预处理及器件内水分和可动离子残留情况有很大关系[5-7]。

图3 不合格I-V曲线1

如图4此种现象表面漏电比图3所示情况更为严重。主要是由于更为严重的表面漏电形成的表面电场已经可以明显地影响到结区,使得原有空间电荷区变窄,使得少子注入明显变大,导致反偏更早。此种现象可认为是介于表面漏电与击穿之间的一种状态。

图4 不合格I-V曲线2

此外对于表面漏电的具体原因,可以采用如下方法判定。I-V测试时关闭测试场所的日光灯,开冷光源进行光照,如果观测到光电流变大,这是由于光生载流子变多,同时也使得器件表面漏电变得更加严重,说明此时器件本身对光照敏感。这主要是由于钝化层一侧的陷阱中心由于受光照激发,把俘获的少子释放出来了[8]。

如果开冷光源后,电流出现变小的现象。这种I-V特性由漏变为不漏的现象,主要是此时半导体一侧禁带内有大量复合中心被激活,应该是深能级杂质造成的,使得少子减少,寿命变短[9]。如果芯片的表面预处理工艺不变,这种情况就应该区检验体材料是否合格。

图5 不合格I-V曲线3

如图5所示此曲线反向在0～400 mV范围内较平直,但是正向拐角处存在问题,弯曲度较大,正向特性不合格,判定为I-V曲线异常。此种现象说明结有问题。第一种可能性是扩散成结或注入成结的结特性不好,是制备的结本身不好。第二种情况是对于台面器件成结后,主要是后续台面钝化工艺的离子轰击损伤到结区,此现象不会单片出现,如果发生会成批次出现,易判断。

图6 不合格I-V曲线4

如图6所示此曲线的正向特性比较倾斜,正向特性不合格,判定为I-V曲线异常。此种现象主要是电极接触不好,影响到接触电阻和动态电阻R0A。在日常测试中,此种情况出现,可能是由于地端的探针没有扎好,需要重新调试,如果地扎得没问题,才可认定为I-V曲线异常。

图7 不合格I-V曲线5

如图7所示此曲线在第四象限有微小震荡,出现“负阻”现象。反偏从第四象限就开始倾斜。此现象不是红外光电二极管的正常工作的I-V曲线,判定为异常。此现象为隧道击穿。

图8 不合格I-V曲线6

如图8所示此曲线反向出现在第一象限,并出现明显地向上翘曲,还出现了比图7所示情况更要显著地震荡。“负阻”现象更明显,并且反偏过原点。图7和图8情况的原因都是隧道效应。主要是由于器件局部掺杂不均匀,导致结区局部出现重掺杂[10-11]。此时的器件已不是光电PN结,而是隧道结。

图9 不合格I-V曲线7

如图9所示此I-V曲线反向出现在第一象限,并且反向在第一象限保持平直,然后反向变弯曲,并经过原点。因MBE外延生长的InSb,在钝化与半导体材料间有明显的二维电子气。界面状态符合量子物理的分布。如果能带计算不准确,误差大,会造成器件失效。此现象容易出现在InSb基外延或超晶格的器件中。

5 结 论

通过上述对各种InSb单元及线列器件的I-V失效分析,可把常见失效从电学性能角度分为漏电和击穿。漏电因器件表面状态或近表面的缺陷和杂质种类的不同有所区别。通过区分漏电原因可以有效跟踪前道工艺中出现的问题,甚至可以反映体材料制备中某一参数是否出现异常。击穿也可分为雪崩击穿和隧道击穿,最常见的击穿现象是光电二极管变成了一个电阻,表现为直通特性。隧道击穿则表现为“负阻”现象,这种现象更易出现在外延器件和新型InSb器件中。

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