Comparison of time-resolved photoluminescence and deep-level transient spectroscopy defect evaluations in an InAs nBn detector subjected to in-situ and ex-situ 63 MeV proton irradiation

Resumen Técnico: Comparación de las Evaluaciones de Defectos mediante Fotoluminiscencia Resuelta en el Tiempo y Espectroscopia de Transitorios de Niveles Profundos en un Detector InAs nBn Sometido a Irradiación con Protones de 63 MeV In Situ y Ex Situ

Planteamiento del Problema
El rendimiento de los detectores de imágenes basados en semiconductores, particularmente para aplicaciones espaciales, está fuertemente dictado por defectos cristalinos y de impurezas que actúan como centros de recombinación Shockley–Read–Hall (SRH). Estos centros reducen la vida útil de los portadores minoritarios, disminuyendo así la eficiencia cuántica y aumentando la corriente oscura. Si bien la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) es eficaz para medir la vida útil de los portadores minoritarios dependiente de la temperatura e identificar mecanismos de recombinación dominantes, a menudo depende de ajustes de mínimos cuadrados que pueden enmascarar la presencia de múltiples niveles de defectos actuando como un único centro efectivo. Por el contrario, la espectroscopia de transitorios de niveles profundos (DLTS) ofrece una mayor fidelidad para resolver niveles de energía y concentraciones de defectos específicos, pero rara vez se aplica a dispositivos infrarrojos de barrera III-V de banda estrecha bajo condiciones de irradiación in situ. Además, existe la necesidad de cuantificar la discrepancia entre la irradiación ex situ (prueba de la bolsa o "bag test"), donde los dispositivos se dosifican a temperatura ambiente, y la irradiación in situ, donde los dispositivos se mantienen a temperaturas criogénicas de operación, para predecir con precisión las tasas de introducción de defectos para sensores espaciales.

Metodología
El estudio utilizó estructuras de detectores InAs nBn idénticas, crecidas mediante epitaxia de haces moleculares sobre sustratos de InAs tipo n. La estructura del dispositivo consistió en una capa de contacto n+ , una barrera de AlAsSb no dopada intencionalmente de 100 nm y un absorbedor de InAs dopado con Si de 4 μm (con un objetivo de $1 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$).

Se emplearon dos técnicas de caracterización primarias:

1. Fotoluminiscencia Resuelta en el Tiempo (TRPL): Realizada en muestras sin procesar, tal como fueron crecidas, para extraer la vida útil de los portadores minoritarios como función de la temperatura y la fluencia de protones. El análisis de la tasa de recombinación ($1/\tau$) se ajustó a un modelo que suma las tasas de recombinación SRH, radiativa y Auger para extraer los niveles de energía de defectos efectivos y las secciones eficaces de captura.
2. Espectroscopia de Transitorios de Niveles Profundos (DLTS): Realizada en dispositivos de mesa procesados para resolver las características de emisión de defectos. Las condiciones de polarización óptimas se determinaron mediante mediciones de voltaje-capacitancia (CV) y corriente oscura, utilizando un pulso de inyección de -0.3 V y una polarización quiescente de -1.3 V.

La variable experimental central fue el entorno de irradiación. Dos detectores idénticos fueron sometidos a dosis escalonadas de protones de 63 MeV (hasta 500 kRad(Si)):

• In Situ: El dispositivo se mantuvo a $\sim$10 K durante la dosificación para prevenir el recocido térmico.
• Ex Situ: Un dispositivo similar fue dosificado a temperatura ambiente (300 K) y medido posteriormente.

Tras la irradiación, se adquirieron espectros de DLTS de 10 a 130 K, y se realizaron mediciones de TRPL a 130 K. El estudio también incluyó una medición de TRPL post-recocido tras devolver la muestra in situ a temperatura ambiente para evaluar la recuperación térmica.

Resultados Clave

• Caracterización de Defectos Pre-Irradiación: Antes de la irradiación, el InAs nBn exhibió una vida útil de portadores minoritarios que aumentaba con la temperatura, lo que sugiere una recombinación a través de niveles de defectos superficiales. La DLTS reveló dos características distintas: un "hombro" ancho de baja temperatura por debajo de 75 K (energía de activación $<29$ meV) atribuido a defectos de electrones superficiales (potencialmente complejos de dopantes de Si o vacancias nativas) en el absorbedor, y un mínimo de alta temperatura a $\sim$230 K (energía de activación de 539 meV) atribuido a un defecto en la capa de barrera de AlAsSb.
• Introducción de Defectos y Recocido: La irradiación con protones aumentó la amplitud tanto de las características de los defectos superficiales como de los profundos. Sin embargo, se observó una disparidad significativa entre las temperaturas de irradiación. La tasa de introducción de defectos ex situ (temperatura ambiente) resultó ser tres a cuatro veces menor que la tasa in situ (10 K). Los autores calculan que aproximadamente el 77% del daño por desplazamiento inducido por protones se elimina mediante recocido a temperatura ambiente.
• Evolución de los Defectos: A medida que la dosis aumentaba, el hombro superficial en los espectros de DLTS in situ evolucionó hacia picos más distintos, apareciendo nuevas características a 54 meV y dosis más altas. Los espectros ex situ mostraron una tendencia hacia un único nivel de energía superficial dominante.
• Análisis de Recombinación: El análisis de la tasa de recombinación por TRPL indicó que el nivel de energía del defecto efectivo se volvió más superficial con el aumento de la dosis (de 10 meV a 1 meV), lo cual es consistente con las observaciones de DLTS. Al correlacionar la concentración de trampas derivada de DLTS con la tasa de recombinación de TRPL, los autores estimaron una sección eficaz de defecto de recombinación de $1.6 \times 10^{-13} \text{ cm}^2$ para el defecto del hombro superficial.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que, si bien el análisis de la tasa de recombinación (TRPL) proporciona una evaluación inicial útil del mecanismo de recombinación dominante, es insuficiente para caracterizar completamente el panorama de defectos, particularmente cuando hay múltiples defectos presentes. El estudio demuestra que la DLTS es necesaria para conectar los datos de vida útil dependientes de la temperatura con los niveles de trampa de energía de materiales específicos.

Una contribución primaria de este trabajo es la demostración cuantitativa de la limitación de la "prueba de la bolsa" (bag test). Los autores afirman que la irradiación ex situ a temperatura ambiente subestima significativamente la tasa de introducción de defectos para materiales destinados a operaciones espaciales criogénicas debido al recocido térmico. Por consiguiente, la predicción precisa del rendimiento del dispositivo para misiones espaciales requiere estudios de irradiación in situ o un factor de corrección riguroso que contemple el $\sim$77% de recocido observado a temperatura ambiente. El trabajo establece una metodología para correlacionar la dinámica de emisión (DLTS) con la dinámica de recombinación (TRPL) para comprender mejor la naturaleza de los centros de SRH perjudiciales en los detectores InAs nBn.