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

Resumo Técnico: Comparação de Avaliações de Defeitos por Fotoluminescência Resolvida no Tempo e Espectroscopia de Transientes de Nível Profundo em um Detector InAs nBn Submetido à Irradiação com Prótons de 63 MeV In Situ e Ex Situ

Definição do Problema
O desempenho de detectores de imagem baseados em semicondutores, particularmente para aplicações espaciais, é fortemente ditado por defeitos cristalinos e de impurezas que atuam como centros de recombinação Shockley–Read–Hall (SRH). Esses centros reduzem o tempo de vida dos portadores minoritários, diminuindo, assim, a eficiência quântica e aumentando a corrente escura. Embora a fotoluminescência resolvida no tempo (TRPL) seja eficaz para medir tempos de vida de portadores minoritários dependentes da temperatura e identificar mecanismos de recombinação dominantes, ela frequentemente depende de ajustes de mínimos quadrados que podem mascarar a presença de múltiplos níveis de defeitos atuando como um único centro efetivo. Por outro lado, a espectroscopia de transientes de nível profundo (DLTS) oferece maior fidelidade na resolução de níveis de energia e concentrações de defeitos específicos, mas raramente é aplicada a dispositivos de barreira infravermelha III-V de banda estreita sob condições de irradiação in situ. Além disso, há uma necessidade de quantificar a discrepância entre a irradiação ex situ ("bag test"), onde os dispositivos são dosados à temperatura ambiente, e a irradiação in situ, onde os dispositivos são mantidos em temperaturas criogênicas de operação, para prever com precisão as taxas de introdução de defeitos para sensores baseados em espaço.

Metodologia
O estudo utilizou estruturas de fotodetectores InAs nBn idênticas, crescidas por epitaxia de feixe molecular em substratos de InAs do tipo n. A estrutura do dispositivo consistiu em uma camada de contato n+ , uma barreira de AlAsSb não dopada intencionalmente de 100 nm e um absorvedor de InAs dopado com Si de 4 μm (visando $1 \times 10^{16} \text{ cm}^{-3}$).

Duas técnicas de caracterização primárias foram empregadas:

1. Fotoluminescência Resolvida no Tempo (TRPL): Realizada em amostras não processadas, conforme crescidas, para extrair tempos de vida de portadores minoritários como função da temperatura e da fluência de prótons. A análise da taxa de recombinação ($1/\tau$) foi ajustada a um modelo que soma taxas de recombinação SRH, radiativa e Auger para extrair níveis de energia de defeitos efetivos e seções de choque de captura.
2. Espectroscopia de Transientes de Nível Profundo (DLTS): Realizada em dispositivos mesa processados para resolver características de emissão de defeitos. As condições de polarização ideais foram determinadas via medições de voltagem-capacitância (CV) e corrente escura, utilizando um pulso de injeção de -0,3 V e uma polarização quiescente de -1,3 V.

A variável experimental central foi o ambiente de irradiação. Dois detectores idênticos foram submetidos a doses escalonadas de prótons de 63 MeV (até 500 kRad(Si)):

• In Situ: O dispositivo foi mantido a $\sim$10 K durante a dosagem para evitar o recozimento térmico.
• Ex Situ: Um dispositivo semelhante foi dosado à temperatura ambiente (300 K) e medido posteriormente.

Pós-irradiação, espectros DLTS foram adquiridos de 10 a 130 K, e medições de TRPL foram conduzidas a 130 K. O estudo também incluiu uma medição de TRPL pós-recozimento após a amostra in situ ser retornada à temperatura ambiente para avaliar a recuperação térmica.

Principais Resultados

• Caracterização de Defeitos Pré-Irradiação: Antes da irradiação, o InAs nBn exibiu um tempo de vida de portadores minoritários que aumentava com a temperatura, sugerindo recombinação via níveis de defeitos rasos. A DLTS revelou duas características distintas: um "ombro" largo de baixa temperatura abaixo de 75 K (energia de ativação $<29$ meV) atribuído a defeitos eletrônicos rasos (potencialmente complexos de dopante Si ou vacâncias nativas) no absorvedor, e um mínimo de alta temperatura em $\sim$230 K (energia de ativação de 539 meV) atribuído a um defeito na camada de barreira AlAsSb.
• Introdução e Recozimento de Defeitos: A irradiação por prótons aumentou a amplitude de ambas as características de defeitos rasos e profundos. No entanto, uma disparidade significativa foi observada entre as temperaturas de irradiação. A taxa de introdução de defeitos ex situ (temperatura ambiente) foi encontrada para ser três a quatro vezes menor que a taxa in situ (10 K). Os autores calculam que aproximadamente 77% do dano por deslocamento induzido por prótons é eliminado pelo recozimento em temperatura ambiente.
• Evolução de Defeitos: À medida que a dose aumentava, o ombro raso nos espectros DLTS in situ evoluiu para picos mais distintos, com o aparecimento de novos recursos a 54 meV e doses mais altas. Os espectros ex situ mostraram uma tendência para um único nível de energia raso dominante.
• Análise de Recombinação: A análise da taxa de recombinação por TRPL indicou que o nível de energia do defeito efetivo tornou-se mais raso com o aumento da dose (de 10 meV para 1 meV), consistente com as observações de DLTS. Ao correlacionar a concentração de armadilhas derivada da DLTS com a taxa de recombinação da TRPL, os autores estimaram uma seção de choque de defeito de recombinação de $1,6 \times 10^{-13} \text{ cm}^2$ para o defeito do ombro raso.

Significância e Alegações
O artigo alega que, embora a análise da taxa de recombinação (TRPL) forneça uma avaliação inicial útil do mecanismo de recombinação dominante, ela é insuficiente para caracterizar totalmente o panorama de defeitos, particularmente quando múltiplos defeitos estão presentes. O estudo demonstra que a DLTS é necessária para conectar os dados de tempo de vida dependentes da temperatura a níveis de energia e concentrações de armadilhas de materiais específicos.

Uma contribuição primária deste trabalho é a demonstração quantitativa da limitação do "bag test". Os autores afirmam que a irradiação ex situ em temperatura ambiente subestima significativamente a taxa de introdução de defeitos para materiais destinados a operações criogênicas no espaço devido ao recozimento térmico. Consequentemente, a previsão precisa do desempenho do dispositivo para missões espaciais requer estudos de irradiação in situ ou um fator de correção rigoroso que considere o $\sim$77% de recozimento observado em temperatura ambiente. O trabalho estabelece uma metodologia para correlacionar a dinâmica de emissão (DLTS) com a dinâmica de recombinação (TRPL) para entender melhor a natureza dos centros SRH prejudiciais em detectores InAs nBn.