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

기술 요약: In Situ 및 Ex Situ 63 MeV 양성자 조사에 따른 InAs nBn 검출체의 시분해 광발광 및 심층 준위 과도 분광법 결함 평가 비교

문제 정의
반도체 기반 이미징 검출기, 특히 우주 애플리케이션을 위한 검출기의 성능은 쇼클리-리드-홀(Shockley–Read–Hall, SRH) 재결합 중심 역할을 하는 결정 및 불순물 결함에 의해 크게 좌우된다. 이러한 중심들은 소수 캐리어 수명을 감소시켜 양자 효율을 저하시키고 암전류를 증가시킨다. 시분해 광발광(TRPL)은 온도 의존적 소수 캐리어 수명을 측정하고 지배적인 재결합 메커니즘을 식별하는 데 효과적이지만, 여러 결함 준위가 단일 유효 중심으로 작에게서 나타나는 현상을 가릴 수 있는 최소제곱 적합법(least-squares fits)에 의존하는 경우가 많다. 반대로, 심층 준위 과도 분광법(DLTS)은 특정 결함 에너지 준위와 농도를 분해하는 데 더 높은 충실도를 제공하지만, in situ 조사 조건 하의 좁은 밴드갭 III-V 장벽 적외선 소자에 적용되는 경우는 드물다. 또한, 우주 기반 센서를 위한 결함 도입률을 정확히 예측하기 위해, 소자가 상온에서 도싱되는 ex situ ("bag test") 조사와 소자가 극저온 작동 온도에서 유지되는 in situ 조사 사이의 차이를 정량화할 필요가 있다.

방법론
본 연구에서는 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy)로 n형 InAs 기판 위에 성장시킨 동일한 InAs nBn 광검출기 구조를 사용하였다. 소자 구조는 n+ 접촉층, 100 nm의 미도핑(unintentionally doped) AlAsSb 장벽, 그리고 4 μm의 Si 도핑된 InAs 흡수층($1 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$ 목표)으로 구성되었다.

두 가지 주요 특성 분석 기술이 사용되었다:

1. 시분해 광발광 (TRPL): 처리되지 않은 as-grown 샘플에 대해 수행되었으며, 이를 통해 온도 및 양성자 플루언스(fluence)에 따른 소수 캐리어 수명을 추출하였다. 재결합률($1/\tau$) 분석은 SRH, 복사(radiative), 오제(Auger) 재결합률을 합산하는 모델로 피팅되어 유효 결함 에너지 준위와 포획 단면적(capture cross-sections)을 추출하였다.
2. 심층 준위 과도 분광법 (DLTS): 특정 결함 방출 특성을 분해하기 위해 처리된 메사(mesa) 소자에 대해 수행되었다. 최적의 바이어스 조건은 용량-전압(CV) 및 암전류 측정을 통해 결정되었으며, -0.3 V의 주입 펄스와 -1.3 V의 정적 바이어스를 사용하였다.

핵심 실험 변수는 조사 환경이었다. 두 개의 동일한 검출기가 단계적 도즈(step-dose)의 63 MeV 양성자(최대 500 kRad(Si))에 노출되었다:

• In Situ: 열적 어닐링(annealing)을 방지하기 위해 도싱 중 소자를 $\sim$10 K로 유지하였다.
• Ex Situ: 유사한 소자를 300 K(상온)에서 도싱한 후 이후에 측정하였다.

조사 후, DLTS 스펙트럼은 10 K에서 130 K 사이에서 획득되었으며, TRPL 측정은 130 K에서 수행되었다. 또한, in situ 샘플을 상온으로 복귀시킨 후의 열적 회복을 평가하기 위해 어닐링 후 TRPL 측정도 포함되었다.

주요 결과

• 조사 전 결함 특성: 조사 전 InAs nBn은 온도가 높아짐에 따라 소수 캐리어 수명이 증가하였으며, 이는 얕은 결함 준위에 의한 재결합을 시사한다. DLTS는 두 가지 뚜렷한 특징을 보여주었다: 흡수층 내의 얕은 전자 결함(잠재적으로 Si 도펀트 복합체 또는 고유 공공)에 기인한 75 K 미만의 넓은 저온 "숄더(shoulder)"(활성화 에너지 < 29 meV), 그리고 $\sim$230 K에서의 고온 최소점(활성화 에너지 539 meV, AlAsSb 장벽층의 결함에 기인)이다.
• 결함 도입 및 어닐링: 양성자 조사는 두 종류의 얕은 결함 및 깊은 결함 진폭을 모두 증가시켰다. 그러나 조사 온도 간에 상당한 차이가 관찰되었다. ex situ(상온) 결함 도입률은 in situ(10 K) 도입률보다 3~4배 낮은 것으로 나타났다. 저자들은 양성자 유도 변위 손상의 약 77%가 상온에서 어닐링되어 제거된다고 계산하였다.
• 결함 진화: 도즈가 증가함에 따라 in situ DLTS 스펙트럼의 얕은 숄더는 더 뚜렷한 피크로 진화하였으며, 54 meV에서 새로운 특징들이 나타났다. ex situ 스펙트럼은 단일 지배적 얕은 에너지 준위를 향한 경향을 보였다.
• 재결합 분석: TRPL 재결합률 분석은 유효 결함 에너지 준위가 도즈가 증가함에 따라 더 얕아짐(10 meV에서 1 meV로)을 나타냈으며, 이는 DLTS 관찰 결과와 일치한다. DLTS에서 유도된 트랩 농도와 TRPL의 재결합률을 상관시킴으로써, 저자들은 얕은 숄더 결함에 대한 재결합 결함 단면적을 $1.6 \times 10^{-13} \text{ cm}^2$로 추정하였다.

의의 및 주장
본 논문은 재결합률 분석(TRPL)이 지배적인 재결합 메커니즘을 평가하는 유용한 초기 평가 수단을 제공하지만, 여러 결함이 존재하는 경우 결함 지형을 완전히 특성화하기에는 불충분하다고 주장한다. 본 연구는 특정 재료 트랩 에너지 준위와 농도를 온도 의존적 수명 데이터와 연결하기 위해 DLTS가 필수적임을 입증한다.

본 연구의 주요 기여는 "bag test"의 한계를 정량적으로 입증한 것이다. 저자들은 ex situ 상온 조사가 열적 어닐링으로 인해 극저온 우주 운용을 목적으로 하는 재료에 대한 결함 도입률을 심각하게 과소평가한다는 점을 단언한다. 따라서, 우주 임무를 위한 소자 성능을 정확히 예측하려면 in situ 조사 연구 또는 관찰된 $\sim$77%의 어닐링을 고려한 엄격한 보정 계수가 필요하다. 이 작업은 InAs nBn 검출기 내의 해로운 SRH 중심의 본질을 이해하기 위해 방출 역학(DLTS)과 재결합 역학(TRPL)을 상관시키는 방법론을 확립한다.