https://doi.org/10.15407/iopt.2023.58.046
Optoelectron. Semicond. Tech. 58, 46-62 (2023)
V.V.Tetyorkin 1 , A.I.Tkachuk 2 , A.T. Voroshchenko 1 , K.V. Andreeva 1 ,
A.Z. Yevmenova 1
InSb PHOTODIODES (REVIEW. PART VI)
In this review, a brief overview of epitaxial methods of growing single-crystal InSb films and their application
for the manufacture of infrared photodiodes is provided. The results of growing InSb epitaxial films on Si and GaAs
substrates are described. The main attention in the review is paid to InSb/CdTe heterostructures, which is explained by
the almost perfect matching of their lattices and coefficients of thermal expansion. The properties of heterovalent
InSb/CdTe interfaces as promising objects for spintronics and topological insulators are described. The results of
experimental studies of InSb photodiodes for the mid-wavelength region of 3-5 μm, passivated with polycrystalline
CdTe films by the hot wall epitaxy method are given. To investigate the electrical properties of polycrystalline fims, the
direct conductivity was measured as a function of bias voltage and temperature. For this purpose, polycrystalline fims
with a thickness of 200 to 1800 nm were grown on p-InSb substrates. The type of conductivity and resistivity of
polycrystalline films were determined. Conclusions were made regarding the possibility of using this technique for
effective and stable passivation. Photodiodes were characterized by measuring the dark current and the lifetime of
minor carriers. Properties of heterovalent CdTe/InSb and isovalent CdTe/HgCdTe interfaces are compared. It is shown
that they have different effects on the transport and photoelectric characteristics of photodiodes. It was established that
when the passivation layer is deposited on the chemically etched surface of the mesa, an excess current of tunneling
nature occurs in the photodiodes. The best results were obtained when surface treatment of the mesa includes the use of
CP4A and HCl etchants, sulfidization in a non-aqueous Na 2 S solution, and deposition of a CdTe protective layer.
Passivation of HgCdTe photodiodes using polycrystalline CdTe films does not affect the lifetime of charge carriers, but
it needs improvement to achieve better stability of their characteristics.
Keywords: InSb, epitaxy, infrared, photodiode, passivation.
References
1. Rogalski A. Infrared Detectors, 2nd edn. Boca Raton, CRC Press, Taylor & Francis Group. 2011.
2. Rogalski A. In Mid-infrared Optoelectronics. Materials, Devices, and Applications, ed. by L. Tournié, L. Cerutti.
Woodhead Publishing, Duxford. 2020.
3. Singh R., Gupta A.K., Chahra K.C. Surface Passivation of Mercury-Cadmium-Telluride Infrared Detectors. Def.
Sci. J. 1991. 41. P. 205-239.
4. Agnihotri O.P., Musca C.A., Faraone L. Current status and issues in the surface passivation technology of
mercury cadmium telluride infrared detectors. Semicond. Sci. Technol. 1998. 13. P. 839–845.
5. T. Ashley T., Burke T. M., Emeny M. T., et al. Epitaxial InSb for elevated temperature operation of large IR
focal plane arrays. Proc. SPIE. 2003. 5074. P. 95-102.
6. Golding T. D., Strozier J., Williams G.M. et al. Epitaxial growth studies of InSb on CdTe: Kinetic and
thermodynamic aspects of InSb/CdTe interface formation. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1991. 221. P.311-323.
7. Udayashankar N.K., Bhat H.L. Influence of growth parameters on the surface morphology and crystallinity of
InSb epilayers grown by liquid phase epitaxy. Bull. Mater. Sci. 2003. 26. No. 7. P. 685-692.
8. Michel E., Mohseni H, Kim J.D., et al. High carrier lifetime InSb grown on GaAs substrates. Appl. Phys. Lett.
1997. 71, №8. P.1071-1073.
9. Yang T-R., Cheng Y., Bi Wang J., Chuan Feng Z. Optical and transport properties of InSb thin films grown on
GaAs by metalorganic chemical vapor deposition. Thin Solid Films. 2006. 498. P. 158 - 162.
10. Razeghi M. Overview of antimonide based III-V semiconductor epitaxial layers and their applications at the
center for quantum devices. Eur. Phys. J. Appl Phys. 2003. 23. P.149-205.
11. Zhang T., Clowes S.K., Debnath M., et al. High-mobility thin InSb films grown by molecular beam epitaxy.
Appl. Phys. Let. 2004. 84, №2. P.4463-4465.
12. Jia, B. W., Tan, K. H., Loke, W. K., Wicaksono, S., Yoon, S. F. Growth and characterization of InSb on (100) Si
for mid‑infrared application. Appl. Surf. Sci. 2018. 440. Р.939-‑945.
13. Soderstrom J.R., Cumming M.M., Yao J-Y., Anderson T.G. Molecular beam epitaxy growth and
characterization of lnSb layers on GaAs substrates. Semicond. Sci. Technol. 1992. 7. P.337-343.
14. Kanzaki K., Yahata A., Miyao W. Properties of InSb photodiodes fabricated by liquid phase epitaxy. Jap. J.
Appl. Phys. 1976. 15, №7. P.1329-1334.
15. Kumar A., Dutta P.S. Liquid phase epitaxial growth of lattice mismatched InSb, GaInAs and GaInAsSb on GaAs
subsrates using a quaternary melt. J. Cryst. Growth 2007. 310. P. 1647-1651.
16. Udayashankar N.K, Bhat H.L. Influence of growth parameters on the surface morphology and crystallinity of
InSb epilayers grown by liquid phase epitaxy. Bull. Mater. Sci. 2003. 26, №7. P. 685-692.
17. Li J., Tang C., Du P., et al. Epitaxial growth of lattice-matched InSb/CdTe heterostructures on the GaAs(111)
substrateby molecular beam epitaxy. Appl. Phys. Let. 2020. 116. P.122102.
18. Harris J.J., Zhang T., Branford W.R., et al. The role of impurity band conduction in the low temperature
characteristics of thin InSb films grown by molecular beam epitaxy. Semicond. Sci. Technol. 2004. 19 . №12.
19. Mishima T.D.; Santos M.B. Impact of structural defects upon electron mobility in InSb quantum wells. J. Appl.
Phys. 2011. 109. P.073707.
20. Alicea J. Majorana fermions in a tunable semiconductor device. Phys. Rev. B. 2010. 81. P. 125318.
21. Lutchyn R.M., Sau J.D., Das Sarma S. Majorana Fermions and a Topological Phase Transition in
Semiconductor-Superconductor Heterostructures. Phys. Rev. Let. 2010. 105. P. 077001.
22. Lutchyn R., Bakkers E.P.A.M., Kouwenhoven L.P., et al. Majorana zero modes in
superconductor–semiconductor heterostructures. Nat. Rev. Mater. 2018. 3. P.52–68.
23. Shi Y., Bergeron E., Sfigakis F., Baugh J., Wasilewski Z.R. Hillock-free and atomically smooth InSb QWs
grown on GaAs substrates by MBE. J. Cryst. Growth . 2019. 513 . P.15-19
24. Wang X., Campbell C., Zhang Y.-H., Nemanich R.J. Band alignment at the CdTe/InSb (001) heterointerface. J.
Vac. Sci. Technol. A. 2018. 36. P.031101.
25. Huerta J., López M., Zelaya-Angel O. Phase stability during molecular beam epitaxial growth of CdTe on
InSb(111) substrates. J. Vac. Sci. Technol. B. 2000.18. P.1716-1720.
26. Luna E., Trampert A., Lu J., Aoki T., Zhang Y.-H., McCartney M.R., Smith D. J.. Strategies for Analyzing
Noncommon-Atom Heterovalent Interfaces: The Case of CdTe-on-InSb. Adv. Mater. Interfaces. 2020. 7.
P.1901658.
27. Sukach A., Tetyorkin V., Voroschenko A., et al. Carrier transport mechanisms in InSb diffused p-n functions.
SPQEO. doi: 10.15407/spqeo24.03.466 .
28. Liu W.K., Yuen W.T., Stradling R.A. Preparation of InSb substrates for molecular beam epitaxy. J. Vac. Sci.
Technol. B. 1995. 13. P. 1539-1545.
29. Sandroff C.J., Nottenburg R.N., Bischoff J.C., Bhat R. Dramatic enhancement in the gain of a GaAs/AlGaAs
heterostructure bipolar transistor by surface chemical passivation. Appl. Phys. Lett. 1987. 51. P. 33-35.
30. Bo Kyung Cha, KeedongYang, Eun Seok Cha, Seok-MinYong, Duchang Heo, Ryun Kyung Kim, Seongchae
Jeon, Chang-Woo Seo, Cho Rong Kim, Byung Tae Ahn, Tae-Bum Lee. Structural and electrical properties of
polycrystalline CdTe films for direct X-ray imaging detectors. Nuclear Instruments & Methods in Physics
Research A. 2013. 731. P.320-324.
31. El-Kadry N., Ashour A., Mahmoud S.A. Structural dependence of d.c. electrical properties of physically
deposited CdTe thin films. Thin Solid Films. 1995. 269. P.112-116.
32. Tsybrii Z., Vuichyk M., Svezhentsova K., et al. Low-temperature growth of CdTe thin films as passivation
layers for IR and THz functional elements. Mater. Chem. Phys. 2022. 278. P. 125581.
33. Lampert M.A., Mark P. Current Injection in Solids. Academic Press, New York. 1970.
34. Kao K.C., Hwang W. Electrical Transport in Solids. With Particular Reference to Organic Semiconductors.
Pergamon Press, Oxford. 1981.
35. Sze S.M., Kwok K. Ng. Physics of Semiconductor Devices, 3d edn. Wiley. 2007.
36. Gopal V., Gautam N., Plis E., Krishna S. Modelling of current-voltage characteristics of infrared photo-detectors
based on type - II InAs/GaSb super-lattice diodes with unipolar blocking layers. AIP Advances. 2015. 5.
P.097132.
37. Dongaonkar S., Servaites J.D., Ford G.M., et al. Universality of non-Ohmic shunt leakage in thin-film solar
cells. J. Appl. Phys. 2010. 108. P.124509.
38. McMahon T.J., Berniard T.J., Albin D.S. Nonlinear shunt paths in thin-film CdTe solar cells. J. Appl. Phys.
2005. 97. P.054503.
39. Reichman J. Minority carrier lifetime of CdHgTe from photoconductivity decay method. Appl. Phys. Lett. 1991.
59. P. 1221- 1223.
40. Krishnamurthy S., Berding M.A., Yu Z.G. Minority carrier lifetimes in HgCdTe alloys. J. Electron. Mat. 35. P.
1369-1378.
41. Hollis, J.E.L., Choo C., Heasell E.L. Recombination centers in InSb. J. Appl. Phys. 1967. 35. P.1626-1636.
42. Lu J., DiNezza M.J., Zhao X-H., et al. Towards defect-free epitaxial CdTe and MgCdTe layers grown on
InSb(001)substrates. J. Cryst. Growth. 2016. 439. P.99–103.
43. Chew N.G., Williams G.M., Cullis A.G. Transmission electron-microscope studies of heteroepitaxial CdTe on
(001)InSb substrates. Inst. Phys. Conf. 1983. 68. P. 437–440.
44. McKeon B.S., Liu X., Furdyna J.K., Smith D.J. Atomic-Resolution Structure Imaging of Misfit Dislocations at
Heterovalent II−VI/III−V Interfaces. ACS Appl. Electron. Mat. 2021. 3. 2573−2579.
45. Johnson S.M., Rhiger D.R., Rosbeck J.P., et al. Effect of dislocations on the electrical and optical properties of
long wavelength infrared HgCdTe photovoltaic detectors. J. Vac. Sci. Technol. B. 1992. 10. P. 1499-1506.
46. Capper P., Garland J., ed. Mercury Cadmium Telluride: Growth, Properties and Applications. Wiley. 2011.
47. Sher A., Berding M.A., van Schilfgaarde M., Chen A-B. HgCdTe status review with emphasis on correlations,
native defects and diffusion. Semicond. Sci. Technol. 1991. 6. C59-C70.
48. Yoshikawa M., Maruyama K., Saito T., Maekawa T., Takigawa H. Dislocations in HgCdTe/CdTe and
HgCdTe/CdZnTe heterojunctions. J. Vac. Sci. Technol. A. 1987. 5. P.3052-3054.
49. An S.Y., Kim J.S., Seo D.W., Suh S.H. Passivation of HgCdTe p-n Diode Junction by Compositionally Graded
В.В. Тетьоркін 1 , А.І. Ткачук 2 , А.Т. Ворощенко 1 , К.В. Андрєєва 1 ,
А.З. Євменова 1
InSb ФОТОДІОДИ (ОГЛЯД. ЧАСТИНА VI)
В огляді подано короткий огляд епітаксійних методів вирощування монокристалічних плівок InSb та їх
застосування для виготовлення інфрачервоних фотодіодів. Описано результати вирощування епітаксіальних
плівок InSb на підкладках Si та GaAs. Основна увага в огляді приділена гетероструктурам InSb/CdTe, що
пояснюється майже ідеальним узгодженням їхніх ґраток і коефіцієнтів теплового розширення. Описано
властивості гетеровалентних інтерфейсів InSb/CdTe як перспективних об’єктів для спінтроніки та топологічних
ізоляторів. Наведено результати експериментальних досліджень фотодіодів InSb для середньохвильової області
3-5 мкм, пасивованих полікристалічними плівками CdTe методом гарячої стінки. Щоб дослідити електричні
властивості полікристалічних волокон, була виміряна пряма провідність як функція напруги зміщення та
температури. Для цього на підкладках p-InSb вирощували полікристалічні плівки товщиною від 200 до 1800 нм.
Визначено тип електропровідності та питомий опір полікристалічних плівок. Зроблено висновки щодо
можливості використання даної методики для ефективної та стійкої пасивації. Фотодіоди були
охарактеризовані шляхом вимірювання темнового струму та часу життя неосновних носіїв. Порівняно
властивості гетеровалентних інтерфейсів CdTe/InSb та ізовалентних CdTe/HgCdTe. Показано, що вони по-
різному впливають на транспортні та фотоелектричні характеристики фотодіодів. Встановлено, що при
нанесенні пасиваційного шару на хімічно травлену поверхню мези в фотодіодах виникає надлишковий струм
тунельного характеру. Найкращі результати були отримані при обробці поверхні мези з використанням
травників CP4A і HCl, сульфідізації в неводному розчині Na 2 S і нанесення захисного шару CdTe. Пасивація
фотодіодів HgCdTe з використанням полікристалічних плівок CdTe не впливає на час життя носіїв заряду, але
потребує вдосконалення для досягнення кращої стабільності їхніх характеристик.
Ключові слова: InSb, епітаксія, інфрачервоне випромінювання, фотодіод, пасивація.