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

Sintesi Tecnica: Confronto tra le Valutazioni dei Difetti tramite Fotoluminescenza a Tempo Risolto e Spettroscopia di Transiente di Livello Profondo in un Rilevatore InAs nBn Sottoposto a Irraggiamento con Protoni da 63 MeV In Situ ed Ex Situ

Definizione del Problema
Le prestazioni dei rivelatori di immagini basati su semiconduttori, in particolare per applicazioni spaziali, sono fortemente dettate dai difetti cristallini e dalle impurità che agiscono come centri di ricombinazione Shockley–Read–Hall (SRH). Tali centri riducono il tempo di vita dei portatori minoritari, diminuendo di conseguenza l'efficienza quantica e aumentando la corrente di buio. Sebbene la fotoluminescenza a tempo risolto (TRPL) sia efficace per misurare i tempi di vita dei portatori minoritari dipendenti dalla temperatura e identificare i meccanismi di ricombinazione dominanti, essa spesso si basa su fit ai minimi quadrati che possono mascherare la presenza di molteplici livelli di difetto che agiscono come un singolo centro efficace. Al contrario, la spettroscopia di transiente di livello profondo (DLTS) offre un'elevata fedeltà nel risolvere specifici livelli di energia dei difetti e le loro concentrazioni, ma viene raramente applicata a dispositivi a barriera infrarossa III-V a banda stretta in condizioni di irraggiamento in situ. Inoltre, è necessario quantificare la discrepanza tra l'irraggiamento ex situ ("bag test"), in cui i dispositivi vengono dosati a temperatura ambiente, e l'irraggiamento in situ, in cui i dispositivi sono mantenuti alle temperature operative criogeniche, per prevedere accuratamente i tassi di introduzione dei difetti per i sensori spaziali.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato strutture di fotodiodo InAs nBn identiche, cresciute mediante epitassia da fasci molecolari su substrati di InAs di tipo n. La struttura del dispositivo consisteva in uno strato di contatto n+, una barriera di AlAsSb non intenzionalmente drogata di 100 nm e un assorbitore di InAs drogato con Si di 4 μm (mirato a $1 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$).

Sono state impiegate due tecniche di caratterizzazione primarie:

1. Fotoluminescenza a Tempo Risolto (TRPL): Eseguita su campioni non trattati, as-grown, per estrarre i tempi di vita dei portatori minoritari in funzione della temperatura e della fluenza protonica. L'analisi del tasso di ricombinazione ($1/\tau$) è stata adattata a un modello che somma i tassi di ricombinazione SRH, radiativa e Auger per estrarre i livelli di energia dei difetti efficaci e le sezioni d'urto di cattura.
2. Spettroscopia di Transiente di Livello Profondo (DLTS): Eseguita su dispositivi mesa lavorati per risolvere le caratteristiche di emissione dei difetti. Le condizioni di bias ottimali sono state determinate tramite misure di capacità-tensione (CV) e corrente di buio, utilizzando un impulso di iniezione di -0,3 V e un bias quiescente di -1,3 V.

La variabile sperimentale centrale era l'ambiente di irraggiamento. Due rivelatori identici sono stati sottoposti a dosi scalari di protoni da 63 MeV (fino a 500 kRad(Si)):

• In Situ: Il dispositivo è stato mantenuto a $\sim$10 K durante il dosaggio per prevenire l'annealing termico.
• Ex Situ: Un dispositivo simile è stato dosato a temperatura ambiente (300 K) e misurato successivamente.

Post-irraggiamento, sono stati acquisiti spettri DLTS da 10 a 130 K, e sono state effettuate misure TRPL a 130 K. Lo studio ha incluso anche una misura TRPL post-annealing dopo che il campione in situ è stato riportato a temperatura ambiente per valutare il recupero termico.

Risultati Chiave

• Caratterizzazione dei Difetti Pre-Irraggiamento: Prima dell'irraggiamento, l'InAs nBn esibiva un tempo di vita dei portatori minoritari che aumentava con la temperatura, suggerendo una ricombinazione tramite livelli di difetto superficiali. La DLTS ha rivelato due caratteristiche distinte: una "spalla" ampia a bassa temperatura sotto i 75 K (energia di attivazione $<29$ meV) attribuita a difetti elettronici superficiali (potenzialmente complessi di drogante Si o vacanze native) nell'assorbitore, e un minimo ad alta temperatura a $\sim$230 K (energia di attivazione 539 meV) attribuito a un difetto nello strato della barriera di AlAsSb.
• Introduzione dei Difetti e Annealing: L'irraggiamento protonico ha aumentato l'ampiezza sia della spalla superficiale che dei difetti profondi. Tuttavia, è stata osservata una significativa disparità tra le temperature di irraggiamento. Il tasso di introduzione dei difetti ex situ (temperatura ambiente) è risultato essere tre o quattro volte inferiore rispetto al tasso in situ (10 K). Gli autori calcolano che circa il 77% del danno da spostamento indotto dai protoni viene eliminato tramite annealing a temperatura ambiente.
• Evoluzione dei Difetti: All'aumentare della dose, la spalla superficiale negli spettri DLTS in situ si è evoluta in picchi più distinti, con la comparsa di nuove caratteristiche a 54 meV e dosi più elevate. Gli spettri ex situ hanno mostrato una tendenza verso un singolo livello energetico superficiale dominante.
• Analisi della Ricombinazione: L'analisi del tasso di ricombinazione TRPL ha indicato che il livello energetico del difetto efficace è diventato più superficiale con l'aumentare della dose (da 10 meV a 1 meV), in modo coerente con le osservazioni DLTS. Correlando la concentrazione dei trap derivata dalla DLTS con il tasso di ricombinazione della TRPL, gli autori hanno stimato una sezione d'urto del difetto di ricombinazione di $1,6 \times 10^{-13} \text{ cm}^2$ per il difetto della spalla superficiale.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene che, sebbene l'analisi del tasso di ricombinazione (TRPL) fornisca una valutazione iniziale utile del meccanismo di ricombinazione dominante, essa è insufficiente per caratterizzare completamente il panorama dei difetti, specialmente quando sono presenti molteplici difetti. Lo studio dimostra che la DLTS è necessaria per collegare i dati del tempo di vita dipendenti dalla temperatura a specifici livelli energetici dei trap del materiale e alle loro concentrazioni.

Un contributo primario di questo lavoro è la dimostrazione quantitativa del limite del "bag test". Gli autori affermano che l'irraggiamento ex situ a temperatura ambiente sottostima significativamente il tasso di introduzione dei difetti per i materiali destinati a operazioni criogeniche spaziali a causa dell'annealing termico. Di conseguenza, la previsione accurata delle prestazioni del dispositivo per le missioni spaziali richiede studi di irraggiamento in situ o un rigoroso fattore di correzione che tenga conto del $\sim$77% di annealing osservato a temperatura ambiente. Il lavoro stabilisce una metodologia per correlare la dinamica di emissione (DLTS) con la dinamica di ricombinazione (TRPL) per comprendere meglio la natura dei centri SRH dannosi negli InAs nBn.