CdS紫外探測器芯片的制備研究

何雯瑾，信思樹，鐘 科，柴圓媛，黎秉哲，楊文運，太云見，袁 俊

〈材料與器件〉

CdS紫外探測器芯片的制備研究

何雯瑾，信思樹，鐘 科，柴圓媛，黎秉哲，楊文運，太云見，袁 俊

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

針對紫外探測器在紫外-紅外雙色探測器中的工程化應用需求，開展了Pt/CdS肖特基紫外探測器研究，通過對CdS晶片表面處理工藝、Pt電極制備及紫外芯片退火等關鍵技術進行優化研究，并對Pt/CdS肖特基紫外探測器性能進行測試分析。測試結果表明：Pt/CdS肖特基紫外探測器在0.3～0.5mm下響應率大于0.2A/W，對3～5mm紅外波長的平均透過率大于80%，很好地滿足了紫外-紅外雙色探測器中的工程化應用要求。

Pt/CdS；肖特基；紫外探測器；-特性

0 引言

隨著紅外技術的日趨成熟，紫外探測技術在軍事、醫學和生物學等方面上得到廣泛應用[1-3]。單一紅外制導將不能滿足當前的主流制導。雙色制導將越來越受關注，這其中包括紅外-紫外雙色制導方式[4-7]。紅外-紫外雙色導引頭具有高效搜索、跟蹤能力和抗干擾能力強等優點。據文獻[8-9]報道，早在20世紀90年代，紫外-紅外雙色探測的制導技術就成功應用于美國的“毒剌”導彈，其中的紅外探測器采用了InSb探測器，紫外探測器采用了CdS探測器。

CdS紫外探測器由于對紅外波段具有很好的透過性，成為紫外-紅外雙色探測器研制的最佳選擇。國外成功工程化應用的先例及國內實際應用的需求，國內的部分學者也開展了CdS紫外探測器的研究，一定程度上對CdS紫外探測器性能得到了提高，并進入批量生產[4,6]，然而，面對雙色探測器工程化應用需求的增加，CdS紫外探測器工程化應用及成品率成為雙色探測器工程化應用的一個窄口。本文基于對CdS紫外探測器工程化應用及成品率提升，對CdS晶片表面處理工藝、Pt電極制備及紫外芯片退火等關鍵技術進行優化研究。

1 CdS紫外探測器的結構及工作原理

CdS紫外探測器位于如圖1所示的疊層式結構[8]中的InSb紅外探測器的上層，該CdS紫外探測器的高紅外透過率及高性能就是關注的重點。CdS紫外探測器可以采用光導型和光伏型兩種方法[6-7]。光導型探測器結構簡單，容易制備，光電增益高，但是CdS光導探測器的響應速度慢，暗電流高，不利于對短波的吸收，因此，在實際的使用中受到了嚴重的限制。而光伏型探測器雖然結構復雜，制備工藝難度大，但可以獲得良好的光電響應性能[6-8]，因此本文采用肖特基勢壘結光伏型紫外探測器。

圖1 疊層紫外/紅外雙色探測器結構示意圖

肖特基勢壘結器件包含一個透明的肖特基接觸電極和一個歐姆接觸電極，基本結構如圖2所示。歐姆接觸采用In為接觸電極。CdS的功函數在4V左右，In的功函數為3.8V，二者的功函數十分接近，可以形成良好的歐姆接觸。而肖特基結的形成采用Pt，Pt在金屬中的功函數最高為5.4V，可以形成良好的肖特基勢壘。

圖2 紫外探測器芯片結構示意圖

2 紫外探測器芯片的制備

CdS紫外探測器采用n型CdS體晶材料。CdS晶片經表面處理后，采用等離子增強化學沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition ）設備在CdS表面沉積厚度在3000?～5000?的SiO2鈍化膜，通過光刻刻蝕的方法，留出歐姆接觸孔和肖特基接觸孔，采用磁控濺射設備在留出的歐姆孔中制備歐姆接觸電極In電極、在肖特基接觸孔中制備Pt透明電極及在鈍化膜表面制備與Pt透明電極接觸的過渡電極CrAu。采用金絲球焊引出電極，通過焊盤電極轉接引出。利用KEITHLEY型-測試系統對探測器的-特性進行測試分析。

3 結果與討論

3.1 芯片表面處理對器件性能的影響

由于CdS紫外探測器是表面結探測器，CdS紫外探測器芯片表面的好壞對紫外探測器的性能起到至關重要的作用。CdS紫外探測器芯片表面清洗可以有效去除表面氧化物或損傷層，降低表面態密度和暗電流，形成很好的歐姆接觸和肖特基勢壘結。為了獲得最佳的表面狀態，本文采用了水浴溫度為30℃～50℃、濃度為18%的HCl和濃度為98%的H3PO4進行腐蝕清洗，分別腐蝕5～10min，很好地改善了CdS紫外探測器芯片表面的質量，有效地降低了歐姆接觸電阻。在基于此方法處理的CdS表面采用磁控濺射制備歐姆接觸電極銦，該歐姆接觸電阻由幾千歐甚至幾兆歐減小到幾個歐，圖3所示為表面處理前后的歐姆接觸對比圖。同時基于此方法制備的肖特基也形成了良好的肖特基接觸，因此合適的表面處理方法對紫外探測器性能的提升起到至關重要作用。

圖3 紫外探測器芯片表面處理前后的歐姆接觸對比圖

3.2 Pt厚度對器件性能的影響

疊層紫外-紅外雙色探測器結構的特殊性，CdS紫外探測器要求高性能和高紅外透過性，CdS材料本身具有良好的紅外透過性，但經過工藝過程和Pt電極的制備后，其CdS紫外探測器對紅外的透過率受Pt電極的影響較大，如表1為Pt電極厚度與紅外透過性的關系。Pt電極厚度不僅影響紫外探測器對紅外透過能力，而且影響紫外探測器的性能，Pt電極較薄，可以較好滿足紫外探測器對紅外的高透過率，但會帶來較大的薄層電阻，影響到紫外探測器的光電性能，因此在紫外探測器總體設計中，針對紫外探測器的高性能和高紅外透過率的矛盾，采用了一種精確控制Pt膜厚度的磁控濺射方法，有效將Pt膜層厚度控制在25?～30?范圍內，可以很好地解決疊層結構紅外透過率低的難題，實現了高性能和高紅外透過率的紫外探測器芯片的研制。如圖4為優化Pt電極后的-曲線圖，紫外探測器-曲線反向電阻均大于50MW，正向電阻小于100W，在波長為0.2mm～0.6mm紫外光下的光電流大于2.0mA。采用紫外探測器光譜響應測量系統測得峰值響應率大于0.2A/W，對3～5mm紅外波長的平均透過率大于80%。

3.3 退火對器件性能的影響

目前肖特基勢壘器件的成結方式多為半透明金屬電極與半導體接觸，通過合適的退火條件，改善金屬電極與CdS材料間的勢壘高度，形成最佳的肖特基勢壘結，圖5為退火前后肖特基結的-曲線對比圖，實驗表明：退火后，反向漏電流明顯減少，由10－4A降低到10－9A，正向電流明顯增大，由1.12×10－2A增加到2.8×10－2A，該器件整流特性得到較好的改善，器件性能也得到很好的提升。

表1 Pt生長條件與紅外透過率的關系

圖4 優化Pt電極后肖特基結的I-V曲線圖

圖5 退火前后肖特基結的I-V曲線對比圖

4 結論

通過對紫外探測器制備工藝進行研究，確定了紫外探測器制備的關鍵工藝參數及控制方法，采用了一種精確控制Pt電極膜層厚度的方法成功將Pt電極膜層厚度控制在25～30?之間，成功制備了Pt/CdS肖特基紫外探測器，紫外探測器-曲線反向電阻均大于50MW，正向電阻小于100W，在0.3～0.5mm紫外光下的光電流大于2.0mA，響應率大于0.2A/W，對3～5mm紅外波長的平均透過率大于80%，很好地滿足了紫外-紅外雙色探測器中的工程化應用要求。

[1] 李向陽, 許金通, 湯英文, 等. GaN基紫外探測器及其研究進展[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(3): 276-280.

LI Xiangyang, XU Jintong, TANG Yingwen, et al. GaN based ultraviolet detectors and its recent development[J]., 2006, 35(3): 276-280.

[2] 郝瑞亭, 劉煥林. 紫外探測器及其研究進展[J]. 光電子技術, 2004, 24(2): 129-133.

HAO Ruiting, LIU Huanlin. Ultraviolet detectors and their developments[J]., 2004, 24(2): 129-133.

[3] 白謝輝, 楊定江. 半導體紫外探測器技術進展[J]. 激光與紅外, 2003, 33(2): 83-86.

BAI Xiehui, YANG Dingjiang. Development of semiconductor ultraviolet detectors[J]., 2003, 33(2): 83-86.

[4] 李忠賀, 王新宇, 李海燕. CdS 肖特基紫外探測器的研制[J]. 激光與紅外, 2015, 45(9): 1109-1111.

LI Zhonghe, WANG Xinyu, LI Haiyan. Study on CdS Schottky ultraviolet photodetector[J]., 2015, 45(9): 1109-1111.

[5] 秦強, 朱惜辰, 楊文運. Pt/CdS Schottky勢壘紫外探測器研制[J]. 紅外技術, 2006,28(4): 234-237.

QIN Qiang, ZHU Xichen, YANG Wenyun. The development of Pt/CdS Schottky barrier ultraviolet detectors[J]., 2006, 28(4): 234-237.

[6] 白謝輝, 李忠賀, 常超. CdS紫外探測器的研究[J]. 激光與紅外, 2011, 41(8): 929-931.

BAI Xiehui, LI Zhonghe, CHANG Chao. Research on CdS ultraviolet detectors[J]., 2011, 41(8): 929-931.

[7] 孟慶巨, 劉海波, 孟慶輝.半導體器件物理[M]. 2版: 北京: 科學出版社, 2009.

MENG Qingju, LIU Haibo, MENG Qinghui.s[M]. 2nd edition: Beijin: Science Press, 2009.

[8] 黃江平, 何雯瑾, 袁俊, 等. 紫外探測器用CdS晶片制備工藝研究[J]. 紅外技術, 2014, 36(6): 446-450.

HUANG Jiangping, HE Wenjin, YUAN Jun, et al. Study on preparation of cadmium sulfide for ultraviolet detector[J]., 2014, 36(6): 446-450.

[9] 姚官生, 張向鋒,丁嘉欣, 等. Pt/CdS Schottky勢壘紫外探測器的光電性能研究[J]. 紅外技術, 2014, 36(6): 443-445.

YAO Guansheng, ZHANG Xiangfeng, DING Jiaxin, et al. Research on the photoelectric characteristics of the Pt/CdS Schottky UV detector[J]., 2014, 36(6): 443-445.

Preparation of a CdS Ultraviolet Detector

HE Wenjin，XIN Sishu，ZHONG Ke，CHAI Yuanyuan，LI Bingzhe，YANG Wenyun，TAI Yunjian，YUAN Jun

(,650223,)

A Pt/CdS Schottky UV detector was developed and studied based on the engineering application requirements of UV/IR dual-colored detectors. Key technologies such as the chip wafer surface treatment process for CdS, preparation process of the Pt electrode, and annealing of the UV detector chip were studied. The performance of the Pt/CdS Schottky UV detector was also analyzed. The results suggested a photo response rate of more than 0.2A/W for wavelengths of 0.3–0.5mm and an average transmittance of more than 80% for wavelengths of 3–5mm, which meet the engineeringrequirements of UV/IR dual-color detectors.

Pt/CdS, Schottky, UV detector,-characteristics

TN23

A

1001-8891(2021)08-0773-04

2021-02-06；

2021-08-06.

何雯瑾（1979-），女，碩士，研究員，主要從事紅外探測器材料及器件研究。E-mail:wenjinhe_2003@163.com。

袁俊（1980-）男，研究員，主要從事紅外探測器材料及器件研究。