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短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究

發(fā)布時(shí)間:2021-05-28 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】報(bào)道了基于分子束外延的短/中波雙色碲鎘汞材料及器件的最新研究進(jìn)展。采用分子束外延方法制備出了高質(zhì)量的短/中波雙色碲鎘汞材料,并通過(guò)提高材料質(zhì)量將其表面缺陷密度控制在300 cm-2以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了芯片制備工藝,尤其是在減小像元中心距方面作了優(yōu)化?;谏鲜龆囗?xiàng)材料及器件工藝制備出了320 × 256短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器組件。結(jié)果表明,該組件的測(cè)試性能及成像效果良好。
 
摘要
 
報(bào)道了基于分子束外延的短/中波雙色碲鎘汞材料及器件的最新研究進(jìn)展。采用分子束外延方法制備出了高質(zhì)量的短/中波雙色碲鎘汞材料,并通過(guò)提高材料質(zhì)量將其表面缺陷密度控制在300 cm-2以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了芯片制備工藝,尤其是在減小像元中心距方面作了優(yōu)化?;谏鲜龆囗?xiàng)材料及器件工藝制備出了320 × 256短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器組件。結(jié)果表明,該組件的測(cè)試性能及成像效果良好。
 
0 引言
 
隨著紅外探測(cè)器應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展和紅外隱身技術(shù)水平的日益提高,人們期望在更為復(fù)雜的背景及環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高精度的高速紅外探測(cè),同時(shí)提高識(shí)別準(zhǔn)確率。雙/多色紅外焦平面探測(cè)器組件可通過(guò)多波段對(duì)比去除干擾信號(hào),從而更為有效地提取目標(biāo)信息,因此具有迫切、廣泛的應(yīng)用需求。其中,短/中波雙色紅外焦平面探測(cè)器組件不僅在導(dǎo)彈預(yù)警、氣象探測(cè)、資源遙感等方面有著明確需求,而且還在機(jī)載偵察系統(tǒng)、低空地空導(dǎo)彈光電火控系統(tǒng)、精確制導(dǎo)武器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
 
本文報(bào)道了中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)電科11所”)在短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器組件研制方面的最新進(jìn)展:通過(guò)分子束外延技術(shù)獲得了高質(zhì)量短/中波雙色碲鎘汞材料;芯片采用半平面雙注入結(jié)構(gòu),其I-V性能良好;再經(jīng)過(guò)讀出電路互聯(lián)和封裝工藝,形成了短/中波雙色器件;在80 K的工作溫度下,對(duì)探測(cè)器組件進(jìn)行了光電性能表征及成像試驗(yàn),獲得了良好的成像效果。
 
1 材料生長(zhǎng)及器件制備
 
采用芬蘭DCA儀器公司生產(chǎn)的P600型分子束外延系統(tǒng)制備雙色材料,即在襯底材料上分別外延短波碲鎘汞吸收層、高組分碲鎘汞阻擋層、中波碲鎘汞吸收層以及碲化鎘鈍化層。芯片采用半平面雙注入結(jié)構(gòu)(示意圖和版圖分別見圖1和圖2)。經(jīng)過(guò)鈍化、退火、光刻、注入、刻蝕、電極生長(zhǎng)等工藝后,完成短/中波雙色芯片的制備。該芯片與硅讀出電路進(jìn)行倒裝互聯(lián),然后被封裝到真空杜瓦中,并耦合制冷機(jī),從而形成完整組件。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖1 半平面雙注入結(jié)構(gòu)的示意圖
 
采用光學(xué)顯微鏡對(duì)雙色材料的表面缺陷密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),然后通過(guò)I-V測(cè)試以及掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)對(duì)芯片進(jìn)行表征。組件測(cè)試在80 K溫度下進(jìn)行,主要包括探測(cè)率、盲元率、非均勻性等方面。最后對(duì)雙色組件進(jìn)行成像演示。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖2 芯片版圖的示意圖
 
2 材料及芯片工藝的優(yōu)化
 
2.1 材料性能優(yōu)化設(shè)計(jì)
 
在現(xiàn)有的短/中波雙色碲鎘汞材料工藝中,作為首先生長(zhǎng)的吸收層,短波層的材料質(zhì)量直接影響雙色材料的質(zhì)量。尤其是由短波層生長(zhǎng)引入的缺陷在經(jīng)過(guò)阻擋層和中波吸收層放大后,極易在雙色碲鎘汞材料表面上引入直徑大于10 μm的缺陷,從而增加雙色器件的盲元率。
 
為降低短波碲鎘汞材料的缺陷密度和提高材料質(zhì)量,我們對(duì)硅基短波碲鎘汞材料生長(zhǎng)工藝進(jìn)行了專項(xiàng)研究。分子束外延碲鎘汞材料的缺陷密度主要與外延溫度、PHg/PTe束流比、生長(zhǎng)速率三個(gè)工藝參數(shù)相關(guān)。根據(jù)三者之間的關(guān)系,設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)。根據(jù)正交試驗(yàn)表格,對(duì)三因子(外延溫度、PHg/PTe束流比、生長(zhǎng)速率,其中PTe與生長(zhǎng)速率一一對(duì)應(yīng),PHg/PTe束流比可簡(jiǎn)化為PHg)設(shè)計(jì)了三水平的試驗(yàn)。正交表格采用L9(34),見表1。設(shè)計(jì)的三水平參數(shù)值見表2。
 
2.2 材料優(yōu)化數(shù)據(jù)分析
 
我們主要采用極差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,其原理是將正交試驗(yàn)各個(gè)影響因素所對(duì)應(yīng)的極差值進(jìn)行比較。根據(jù)相關(guān)理論可知,如果某因素所對(duì)應(yīng)的極差值較大,那么該因素就是正交試驗(yàn)中的主要因素;反之,該因素則是正交試驗(yàn)中的次要因素。因此,可根據(jù)極差值的大小來(lái)判斷影響因素的主次。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
表1 L9(34)正交表
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
表2 三因子三水平參數(shù)值表
 
針對(duì)本次試驗(yàn),所有樣品均取自同一個(gè)生長(zhǎng)周期,以排除由分子束外延設(shè)備因素造成的影響;取材料組分及厚度相近的樣品,以排除材料參數(shù)的影響。將9個(gè)樣品的材料參數(shù)作為參考樣本(詳見表3),同時(shí)將缺陷密度值作為分析數(shù)據(jù),得到了表4。
 
表4中的數(shù)據(jù)清楚地表明了各因素對(duì)材料缺陷的影響。生長(zhǎng)溫度所對(duì)應(yīng)的極差值最大,說(shuō)明在碲鎘汞材料的分子束外延過(guò)程中,生長(zhǎng)溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的貢獻(xiàn)最大,直接決定了材料缺陷密度;其次是生長(zhǎng)速率,它在本次試驗(yàn)中的作用雖不及生長(zhǎng)溫度,但在材料缺陷密度方面的影響更大些,因此可判斷生長(zhǎng)速率對(duì)材料缺陷密度的變化起到了至關(guān)重要的作用。三個(gè)因素中,Hg流量所對(duì)應(yīng)的極差值均是最小的,所以它對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響最小,但也大于誤差項(xiàng)。這說(shuō)明Hg流量對(duì)材料缺陷的形成有一定的影響,但是其影響要小于生長(zhǎng)溫度和生長(zhǎng)速率。因此,在研究碲鎘汞材料生長(zhǎng)工藝的過(guò)程中,主要工作應(yīng)該放在生長(zhǎng)溫度和生長(zhǎng)速率方面,而且尋找和應(yīng)用合適的碲鎘汞材料生長(zhǎng)溫度及其相應(yīng)降溫曲線的生長(zhǎng)速率是工藝優(yōu)化中的關(guān)鍵。
 
(1)對(duì)于因素1:當(dāng)生長(zhǎng)溫度為220℃時(shí),缺陷密度最小,因此可認(rèn)為最優(yōu)的生長(zhǎng)溫度應(yīng)該是220℃。
 
(2)對(duì)于因素2:缺陷密度的最優(yōu)值在51 sccm時(shí)取得;以缺陷密度為優(yōu)先考量因素,最優(yōu)的Hg流量應(yīng)該是51 sccm。
 
(3)對(duì)于因素3:缺陷密度在1.5 μm/h時(shí)獲得最優(yōu)值,因此在本次試驗(yàn)中,1.5 μm/h是最適合工藝中降溫曲線的生長(zhǎng)速率。但是該試驗(yàn)沒有獲得生長(zhǎng)速率對(duì)材料缺陷影響的拐點(diǎn)處。在今后的工藝中,可繼續(xù)降低生長(zhǎng)速率,以獲得最優(yōu)的生長(zhǎng)速率值。
 
通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)溫度、Hg流量、生長(zhǎng)速率三個(gè)關(guān)鍵材料工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,將短/中波雙色材料的缺陷密度從500 cm-2優(yōu)化到300 cm-2,為最終組件減少盲元奠定了良好的基礎(chǔ)。圖3為碲鎘汞雙色材料表面的顯微鏡照片。
 
2.3 芯片工藝優(yōu)化
 
探測(cè)器芯片具有半平面雙注入結(jié)構(gòu)。采用高密度等離子體干法刻蝕工藝制備短波臺(tái)面,然后使用多腔室磁控濺射系統(tǒng)在表面上生長(zhǎng)ZnS/CdTe復(fù)合膜層,并對(duì)其進(jìn)行鈍化處理。通過(guò)注入B離子同時(shí)對(duì)中短波結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜來(lái)形成p-n結(jié),接著利用Cr/Au/Pt電極體系完成芯片電學(xué)性能的引出。其他的工藝步驟(如標(biāo)記刻蝕、離子注入、退火、金屬化等)與業(yè)內(nèi)平面型單色碲鎘汞器件工藝基本一致。本文研制的320 × 256短/中波雙色芯片的像元中心距為30 μm,而前期芯片的像元中心距為50μm,這就在深臺(tái)面刻蝕、側(cè)壁鈍化等工藝方面提出了更高的要求。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
表3 試驗(yàn)樣品參數(shù)
 
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表4 樣品缺陷密度正交試驗(yàn)結(jié)果的分析表
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖3 碲鎘汞雙色材料表面的放大圖(200倍)
 
2.3.1 深臺(tái)面刻蝕優(yōu)化
 
深臺(tái)面刻蝕采用的是基于CH4和H2工藝的干法刻蝕工藝。其中,聚合物的生成及排出的動(dòng)態(tài)關(guān)系是決定深臺(tái)面刻蝕效果好壞的重要因素。隨著刻蝕的進(jìn)行,臺(tái)面深度增大,揮發(fā)性生成物的排出速率受到影響。若排出速率過(guò)慢,生成物就會(huì)在臺(tái)面底部積聚成固態(tài)聚合物。這將影響深微臺(tái)面的形貌及深度均勻性。同時(shí),刻蝕工藝的橫向刻蝕還會(huì)對(duì)臺(tái)面陡度造成重要影響。若陡度過(guò)小,則臺(tái)面底部孔的尺寸過(guò)小,直接影響到注入?yún)^(qū)以及接觸孔的實(shí)際尺寸。在后續(xù)工藝完成后,有可能導(dǎo)致盲元產(chǎn)生。通過(guò)調(diào)節(jié)刻蝕工作壓力和氣體配比來(lái)降低微負(fù)載效應(yīng),可以提升刻蝕均勻性,同時(shí)還可在刻蝕形貌和臺(tái)面陡度方面達(dá)到平衡。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖4 芯片表面的SEM照片
 
在刻蝕側(cè)壁損傷方面,采用干法混合刻蝕技術(shù)并通過(guò)分時(shí)段調(diào)整刻蝕工藝參數(shù)來(lái)加以控制。在刻蝕工藝末端采用低刻蝕偏壓,以降低刻蝕過(guò)程對(duì)深臺(tái)面?zhèn)缺诩暗酌娴膿p傷。通過(guò)工藝優(yōu)化和驗(yàn)證,獲得了良好的刻蝕效果(見圖4)。
 
2.3.2 側(cè)壁鈍化工藝優(yōu)化
 
器件鈍化工藝采用CdTe和ZnS復(fù)合膜層。它的難點(diǎn)在于,與主流的平面型碲鎘汞器件不同,雙色器件的鈍化還包含深臺(tái)面的側(cè)壁鈍化,即通過(guò)對(duì)濺射工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)器件鈍化和臺(tái)面覆蓋的雙重效果。利用聚焦離子束掃描電子顯微鏡(Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy,F(xiàn)IB-SEM)觀察了干法刻蝕后的深臺(tái)面底部形貌和側(cè)壁鈍化效果。從圖5(a)中可以看出,用高密度等離子體干法刻蝕工藝制備的深臺(tái)面底部平滑,沒有聚合物及生成物產(chǎn)生,為制備性能良好的短波p-n結(jié)奠定了重要基礎(chǔ);從圖5(b)中可以看出,使用多腔室磁控濺射系統(tǒng)在表面上生長(zhǎng)的ZnS/CdTe復(fù)合膜層可將側(cè)壁完全覆蓋,這對(duì)抑制p-n結(jié)漏電流起到了重要作用。
 
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圖5 芯片側(cè)壁鈍化后的SEM照片
 
2.4 芯片優(yōu)化結(jié)果分析
 
利用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)芯片的I-V特性進(jìn)行測(cè)試。將芯片放置在液氮環(huán)境中,然后從制備的面陣芯片邊緣隨機(jī)選取測(cè)試管芯。如圖6所示,中短波的I-V特性與硅基單色器件基本一致,說(shuō)明芯片p-n結(jié)表現(xiàn)出了較高的I-V性能,并且具備較好的品質(zhì)因子。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖6(a)中波p-n結(jié)的I-V性能測(cè)試結(jié)果;(b)短波p-n結(jié)的I-V性能測(cè)試結(jié)果
 
2.5 混成芯片制備
 
320 × 256短/中波雙色芯片需與讀出電路通過(guò)倒裝互連來(lái)完成制備。圖7為In柱生長(zhǎng)后讀出電路的SEM照片。碲鎘汞器件與讀出電路通過(guò)倒裝互連進(jìn)行電連接,經(jīng)背增透后形成碲鎘汞雙色混成芯片。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖7 In柱生長(zhǎng)后讀出電路的SEM照片
 
3 組件性能表征
 
320 × 256短/中波雙色芯片通過(guò)倒裝互連與讀出電路耦合,然后經(jīng)退火回流工藝處理,并被裝入到真空杜瓦中,從而形成短/中波雙色組件。在液氮溫度下,使用PI紅外焦平面測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該組件進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明,它在中波波段的盲元率、峰值探測(cè)率和響應(yīng)率不均勻性分別為1.47%、2.13 × 1011 cm·Hz1/2/W和4.22%,在短波波段的盲元率、峰值探測(cè)率和響應(yīng)率不均勻性分別為0.88%、2.23 × 1012 cm·Hz1/2/W和3.85%。圖8所示為該組件的成像結(jié)果??梢钥闯?,中國(guó)電科11所目前研制的短/中波雙色組件性能良好,基本可達(dá)到實(shí)用化要求;后續(xù)將根據(jù)用戶的具體需求,有針對(duì)性地對(duì)盲元率(連續(xù)盲元)和噪聲等效溫差(中波)等指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。
 
短/中波雙色碲鎘汞紅外探測(cè)器制備研究
圖8 短/中波雙色組件的成像圖
 
4 結(jié)論
 
在像元中心距為50 μm的128 × 128短/中波雙色組件的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)材料及芯片制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,獲得了缺陷密度更低的高質(zhì)量短/中波雙色碲鎘汞薄膜材料以及像元中心距更小(30 μm)、性能更高的320 × 256短/中波雙色碲鎘汞芯片。測(cè)試及成像結(jié)果表明,320 × 256短/中波雙色制冷組件的性能基本可達(dá)到實(shí)用化要求,且兩個(gè)波段成像清晰。后續(xù)研究正在進(jìn)行中,主要集中在更大面陣、更高信噪比、更低盲元率(中心區(qū)域無(wú)連續(xù)盲元)三個(gè)方向上,并將在以后的論文中介紹詳細(xì)的研制進(jìn)展。
 
 
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