中波碲鎘汞p-on-n高溫工作技術(shù)研究

陳慧卿,史春偉,胡尚正,孫海燕,王成剛,孫 浩

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞(Hg1-xCdxTe)是一種重要的紅外探測材料,由于其禁帶寬度可調(diào),探測光譜范圍由短波波段一直延伸到甚長波波段。為了滿足國家安全、環(huán)境監(jiān)測、科研和空間應(yīng)用的需要,制備大面陣、多光譜、高性能的第三代紅外探測器是未來發(fā)展的重點(diǎn)[1]。歐美發(fā)達(dá)國家提出了一個(gè)新的概念SWaP(size,weight and power),用于指代尺寸、重量和功耗,降低成本、減小尺寸、提高性能是當(dāng)前碲鎘汞紅外探測器研究的推動因素。實(shí)現(xiàn)SWaP的重要途徑是提高紅外探測器的工作溫度,關(guān)鍵技術(shù)是降低器件暗電流[2]。As摻雜的p-on-n技術(shù)由于其自身具有的獨(dú)特優(yōu)勢在高溫工作、長波及甚長波方向發(fā)展迅速,從理論上說,p-on-n碲鎘汞結(jié)構(gòu)襯底具有低的多數(shù)載流子(電子)濃度,因此更容易獲得長的少數(shù)載流子(空穴)壽命,從而降低暗電流和提高R0A值[3],同時(shí),制備高性能p-on-n器件必須有非常高質(zhì)量的材料,同時(shí)還要針對關(guān)鍵工藝技術(shù)(As離子激活、表面鈍化、退火、刻蝕、倒裝互連等工藝)開展專門的研究。碲鎘汞p-on-n焦平面器件有兩條不同的技術(shù)路線,一種是在n型襯底上通過離子注入的方式As摻雜形成p區(qū),另一種是采用原位生長的方式進(jìn)行As摻雜。本文采用As離子注入形成p區(qū),該路線與n-on-p路線同為平面結(jié)工藝,有利于制備更大面陣和更小間距的焦平面器件。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用液相外延工藝在CdZnTe襯底材料上生長中波摻In碲鎘汞N型外延層,N型外延層材料的載流子濃度需控制在1×1014～1×1015cm-3范圍內(nèi),合適的In摻雜濃度將得到較小的暗電流。在碲鎘汞材料表面光刻圖形,使用離子注入工藝將As離子注入到材料內(nèi)部,其中,注入能量決定As離子注入深度,注入劑量決定As離子摻雜濃度,注入能量300 keV～400 keV,注入劑量為2×1014～2×1015/cm2,注入后的碲鎘汞材料進(jìn)行高低溫As激活退火處理,高溫退火條件為370 ℃/3h,低溫退火條件為250 ℃/24 h。As離子激活退火后,采用磁控濺射工藝在材料表面制備碲化鎘與硫化鋅復(fù)合鈍化膜層,然后濕法腐蝕工藝制備接觸孔,在接觸孔內(nèi)生長Cr/Au/Pt金屬電極體系,完成電學(xué)性能的引出,制備如圖1所示p-on-n器件結(jié)構(gòu),將制備的15 μm中心間距中波640×512器件與讀出電路倒裝互連后,制備出中波640×512 p-on-n紅外探測器芯片。

圖1 碲鎘汞p-on-n器件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of HgCdTe device structure

本文通過二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測試注入后及退火后 As 離子在碲鎘汞層的濃度分布,采用透射電鏡(TEM)表征激活退火后離子注入損傷修復(fù)狀態(tài),使用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀評價(jià)pn結(jié)的IV特性。探測器芯片裝入變溫杜瓦中測試,放在焦平面光譜測試系統(tǒng)平臺上測量出光譜響應(yīng)曲線。采用焦平面參數(shù)測試系統(tǒng)測試芯片在不同溫度下的有效像元率、噪聲等效溫差及相應(yīng)不均勻性等焦平面關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 As離子注入及退火激活

As 離子注入及激活退火工藝直接關(guān)系到p型層濃度,必須要在富汞氣氛中經(jīng)過兩次退火來激活它的電活性,高溫退火目的在于完成As離子的電激活并消除注入引起的晶格損傷,低溫退火的目的在于填充汞空位使碲鎘汞襯底的電性能恢復(fù)為 N型。As是一種兩性摻雜元素,既可以作為淺施主AsHg+置于Hg位,又可以作為淺受主AsTe-置于Te位。目前被普遍認(rèn)同的是berding M A提出的退火電激活模型,第一步,Te原子轉(zhuǎn)移到陽離子空位,形成Te反位TeHg；第二步,As原子轉(zhuǎn)移到空出的Te空位,形成AsTe,并留下Hg空位；第三步,TeHg和VHg形成復(fù)合體,遠(yuǎn)離AsTe而去,最終過飽和并擴(kuò)散到表面消失或形成Te夾雜物[4-5]。圖2為注入能量分別為320 keV和380 keV的As離子濃度分布曲線。

(a)320 keV

(b)380 keV

從圖2可以看出,As原子量較大,雖然注入能量很大,但注入深度較淺,隨著注入能量變大,As離子深度增加,注入能量320 keV下注入深度只有0.6 μm,注入能量380 keV下注入深度只有0.7 μm,注入后材料表面出現(xiàn)大量缺陷,碲鎘汞受到嚴(yán)重?fù)p傷,如圖3(a)所示。經(jīng)過富汞激活退火后,As離子進(jìn)一步向材料內(nèi)部擴(kuò)散,深度增加至1 μm左右,如圖4所示,內(nèi)部缺陷完成修復(fù),如圖3(b)所示。

(a)離子注入后 (b)激活退火后

圖4 As離子激活退火后濃度分布曲線Fig.4 Arsenic concentration distribution curves after activation annealing

3.2 中波碲鎘汞p-on-n器件IV性能評價(jià)

As離子激活退火后,在材料表面制備高質(zhì)量的碲化鎘與硫化鋅復(fù)合鈍化膜層,可以有效抑制表面漏電流,然后通過濕法腐蝕工藝制備接觸孔,好處在于濕法腐蝕碲鎘汞可完全避免干法刻蝕損傷的產(chǎn)生,在接觸孔內(nèi)生長Cr/Au/Pt金屬電極體系,完成電學(xué)性能的引出,將制備的器件放在低溫探針臺上降至液氮溫度,使用半導(dǎo)體參數(shù)測試儀測試pn結(jié)的IV特性,圖5為制備的中波碲鎘汞p-on-n器件IV曲線,器件開啟電壓約120 mV,反向電流約為5～10 nA,反向平坦區(qū)大于1 V,器件表現(xiàn)出良好的IV特性。

3.3 中波640×512 p-on-n紅外探測器芯片焦平面參數(shù)測試

將中心間距為15 μm中波640×512 器件通過銦柱與低功耗低噪聲讀出電路倒裝互連后,制備出中波640×512 p-on-n紅外探測器芯片。將芯片放在焦平面光譜測試系統(tǒng)平臺上,制冷到130 K,通過焦平面參數(shù)測試系統(tǒng)使使探測器輸出電壓正常,測量出光譜響應(yīng)曲線,如圖6所示,光譜響應(yīng)范圍為3.2～5 μm。將芯片置于焦平面參數(shù)測試系統(tǒng)中,分別測量80 K、90 K、100 K、110 K、120 K及130 K溫度下的性能,如圖7所示,當(dāng)工作溫度由 80 K 變化至120 K 時(shí),NETD 由22.6 mK 變化至26.4 mK,保持在30 mK 以下,有效像元率由99.86 %下降至99.19 %,探測器性能已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。當(dāng)工作溫度繼續(xù)升高至130 K時(shí),響應(yīng)信號隨著暗電流的增大下降明顯,1/f噪聲逐漸增加。此外,隨著工作溫度的升高,由于暗電流急劇增加引起的盲元明顯增加,這說明現(xiàn)有芯片的品質(zhì)因子還有待提高,關(guān)鍵工藝還需進(jìn)一步優(yōu)化,這樣才能保證隨著工作溫度的升高,芯片性能保持相對穩(wěn)定。

圖5 中波碲鎘汞p-on-n器件IV曲線Fig.5 IV curve characteristic of MWIR p-on-n HgCdTe device

圖6 碲鎘汞p-on-n探測器芯片紅外光譜測試曲線Fig.6 Infrared spectrum curve of MWIR p-on-n HgCdTe chip

圖7 不同溫度下中波碲鎘汞p-on-n探測器芯片性能Fig.7 Performance of the MWIR p-on-n HgCdTe chip at different temperatures

4 結(jié) 論

As摻雜p-on-n技術(shù)由于其自身具有的獨(dú)特優(yōu)勢,在高溫工作、長波及甚長波方向是一條重要的技術(shù)路線。本文通過離子注入的方式完成As離子摻雜,注入后產(chǎn)生大量缺陷,經(jīng)富汞退火后缺陷基本完成修復(fù)并實(shí)現(xiàn)As離子的電激活,制備的pn結(jié)性能穩(wěn)定。測試了中波p-on-n探測器芯片在不同工作溫度下的焦平面性能指標(biāo),在120 K溫度下有效像元率可以達(dá)到99 %以上,但隨著溫度繼續(xù)升高,盲元率快速增加,探測器芯片還需繼續(xù)針對關(guān)鍵工藝進(jìn)行優(yōu)化,提高其可靠性及技術(shù)成熟度。