甚長波碲鎘汞探測器的注入區擴散研究

劉世光,邢艷蕾,張 敏,張 軼,吳 卿,王成剛

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測器以其量子效率高、波長可調等優點在軍事、宇航、民用領域均有廣泛應用[1-2]。近些年來光譜探測、空間探測等研究方向對于波長≥12 μm的甚長波碲鎘汞探測器需求強烈[3]。

目前國內廣泛采用了n-on-p的技術路線制備碲鎘汞探測器,在碲鋅鎘基碲鎘汞上以B離子注入的方式,注入成結。注入后經過激活退火,實際尺寸會有所變化,而且由于載流子的擴散作用,實際光敏面的大小會進一步擴大[4]。本文為了探究甚長波碲鎘汞探測器的實際光敏面相對于注入區的擴散效應,開展實驗設計和數據處理分析研究。

2 實驗方案

為研究碲鎘汞紅外探測器的注入區擴散,設計了不同注入區的光刻版圖(如圖1所示)。為了盡量避免材料、器件工藝、電路的細微差別給結果帶來的差別,在同一片材料、同一個管芯上排布了5個不同注入區尺寸的區域,可以保證,材料、器件的工藝完全一致,并且互連同一片電路,最大程度地控制了可變因素,每個區域之間出注入區尺寸不同外,其他工藝條件完全相同。

圖1 像元中心間距30 μm的注入區示意圖(L為注入區光刻尺寸)

選用在碲鋅鎘襯底上液相外延生長的甚長波碲鎘汞材料,除注入區的光刻步驟外,器件采用典型的甚長波320×256,30 μm中心間距的器件版圖和器件工藝條件。在320×256陣列上選取5個相同的64×256的區域,每個區域設計為6 μm×6 μm、8 μm×8 μm、10 μm×10 μm、12 μm×12 μm、14 μm×14 μm的注入區光刻尺寸(見圖2),所使用的注入能量與單位面積注入劑量均相同。

圖2 不同尺寸的注入區設計示意

器件制備完成后,倒裝互連與320×256的讀出電路連接形成互連混成芯片,像元通過銦柱與讀出電路上的像素處理單元相互連接。

3 測試與結果分析

器件制備完成后,封裝到杜瓦結構中進行測試,制冷到77 K工作溫度后,經焦平面探測系統,依據GB/T 17444-2013[5]測試探測器的性能,測得后截止波長為12.25 μm。選取20 ℃和35 ℃的黑體溫度進行信號測量,將35 ℃黑體溫度下和20 ℃黑體溫度下的輸出電平之差作記為信號陣列Vs[i,j]。信號陣列的灰度如圖3所示。通過圖3,可以看到,不同注入區之間的信號大小差異非常明顯。由于材料和其他器件工藝相同,單位有效光敏面面積上量子效率以及單位時間的信號相同,相同積分時間下決定不同區域信號Vs的因素為有效光敏面的面積。

取Vs為信號值,A(L,r)為有效光敏面面積,影響因素L為注入區光刻尺寸;r為注入區擴散距離。以上表述可寫作

Vs=a×t×A(L,r)

(1)

其中,a為單位有效光敏面積在單位積分時間的信號電壓;t為積分時間。

由于沿每個方向的擴散距離大小相同,擴散后的區域分布如圖4所示。

圖4 擴散后的有效光敏面A(L,r)的分布

分析圖4幾何關系,可知:

A(L,r)=L2+4Lr+πr2

(2)

代入式(1)有:

Vs=a×t×(L2+4Lr+πr2)

(3)

當Vs的單位取mV,t的單位取ms,L和r的單位取μm時,a的單位為V/s·μm2。

為了進一步定量分析對比不同尺寸注入區的影響,對每個64×256區域進行剔除過熱像元和死像元[5]后,取Vs[i,j]的平均值作為每個區域的平均信號Vs(表1)。77 K工作溫度下使用的積分時間t=0.0307 ms。

表1 77 K工作溫度下,不同注入區光刻尺寸的信號值

對Vs和L的數據進行擬合(圖5),可得到77 K工作溫度下,單位有效光敏面積在單位時間的信號電壓為a=3.609 V/s·μm2,擴散距離r=2.698 μm,數據點與擬合曲線重合良好,R2=0.999,說明式(3)的模型很好地描述了注入區擴散的現象。

圖5 區域平均信號Vs隨注入區光刻尺寸L的變化及其擬合結果@77 K

由于甚長波探測器經常需要降低工作溫度來抑制暗電流的影響,60 K也為其典型的工作溫度。為了研究60 K下的擴散情況并與77 K的情況進行對比,使用微杜瓦進行封裝,對60 K下的性能進行了測試,按照同樣的處理方法也可獲得不同區域的平均信號值Vs(表2)。60 K工作溫度下使用的積分時間t=0.2 ms。

表2 60 K工作溫度下,不同注入區光刻尺寸的信號值

對60 K下的Vs和L的數據進行擬合(圖6),可得到60 K工作溫度下,單位有效光敏面積在單位時間的信號電壓為a=3.872 V/s·μm2,擴散距離r=3.001 μm,數據點與擬合曲線重合良好,R2=0.994。

圖6 區域平均信號Vs隨注入區光刻尺寸L的變化及其擬合結果@60 K

根據60 K和77 K的擬合結果可見60 K下的單位有效光敏面積在單位時間的信號電壓值a=3.872 V/s·μm2比77 K下a=3.609 V/s·μm2略大,主要原因是,60下后截止波長擴展到了13.03 μm,在前截止波長由同一濾光片確定的前提下,響應波段變寬,因此a有所增大。

同時可以看到60 K下的擴散距離3.001 μm相比于77 K下的2.698 μm增長了0.3 μm。

由于不同溫度下的擴散距離不同,因此在后續設計器件的注入區時,可根據此數據及器件工作溫度,確定最佳的注入區光刻尺寸。

4 結論與驗證

通過以上分析,得到了注入區設計尺寸L與實際探測器信號Vs的直接對應關系模型如下式所示:

Vs=a×t×(L2+4Lr+πr2)

(4)

其中,t為積分時間;a和r為與溫度相關的常熟;a的物理意義為單位有效光敏面積在單位時間的信號電壓;r的物理意義為注入區的擴散距離。

使用此公式,對其他不同設計注入區尺寸的探測器進行了對比驗證,如表3所示,誤差均在10%以內,說明本模型很好地描述了注入區設計尺寸、積分時間和最終測試得到的平均信號電壓的關系。

表3 不同注入區尺寸和積分時間下實測值與計算對比

5 總 結

通過設計不同注入區尺寸的區域,進行數據擬合,得到了60 K和77 K工作溫度下實際光敏面相對注入區光刻尺寸的擴散距離,并得到了不同溫度下的單位有效光敏面積在單位時間的響應電壓值數據,獲得了將注入區設計尺寸、積分時間和最終信號電壓的模型關系,并在其他注入區尺寸以及積分時間的器件上獲得了驗證,對于甚長波探測器的高吻合度設計提升提供了可靠的設計方法和預測模型。