湿热环境对PbS光导探测器可靠性影响

陈凤金，司俊杰,2，施正风



湿热环境对PbS光导探测器可靠性影响

陈凤金1，司俊杰1,2，施正风1

（1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.红外探测器技术航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009）

叙述了PbS薄膜的化学水浴制备方法及PbS薄膜形貌、性能测试及湿热环境（相对湿度95%）试验的过程，阐述了PbS探测器芯片经湿热环境试验后暗阻等性能参数的变化情况，分析了其原因和相关机理。短时间（1h）内湿热环境下，其性能参数变化在5%以内，在持续24h的潮湿环境后，PbS的暗阻增大50%以上。在之后的2×24h、3×24h、4×24h、5×24h湿热环境下，暗阻值增量随时间递增呈正比例关系。当潮湿试验进行到7×24h后，部分试验样件无法测试出响应信号，样件失效。

湿热环境；暗电阻；PbS；光导探测器；性能可靠性；表面吸附

0 引言

近年来，随着红外探测技术的发展，越来越多的探测器应用于特殊的、相对恶劣的环境当中，这也给红外探测器可靠性提出了新的要求。可靠性是军用装备效能的主要影响因素之一，是装备质量的重要指标，是元件、产品或系统的完整性的最佳度量。提高产品的可靠性对发展我国尖端技术、军事工业，推广应用电子技术有着重要的作用。当前，航空航天领域对元器件可靠性的要求已经提高到宇航级和高可靠级。而在空间任务中，大多采用电子元器件国际通用分类中的宇航级/883B级产品[1]。生产高可靠级产品也成为各军标线建设的主流和趋势。考察探测器在环境试验下的可靠性也是探测器生产中质量控制的重要一环。

Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体大多属于窄带半导体，在制造红外辐射探测器和激光器等方面占有重要地位，广泛应用的有铅的硫属化合物薄膜[2]。作为Ⅳ-Ⅵ族半导体中的重要一员，铅盐类半导体材料有硒化铅（PbSe）、硫化铅（PbS）、碲化铅（PbTe），利用该类多晶薄膜材料的内光电效应制成本征光电导器件[3-4]。PbS薄膜的制备采用Pb2＋和S2－结合而成[5]。常用的PbS半导体薄膜就是应用传统的化学成膜技术，通常是由NH2CSNH2和Pb(AC)2×3H2O溶液在一定的碱性条件下化学沉淀制备而成[6]，一般为多晶薄膜结构。

对于光导器件，暗电阻、信号、噪声等是表征探测器性能的几个主要参数，在特定的环境条件下，探测器的性能参数会有所变化。

本文阐述了PbS探测器芯片经环境试验后暗阻等性能参数的变化情况，并对其变化的原因机理作了分析。

1 实验

1.1 PbS探测器芯片的制作

采用化学浴沉积法制备[6-8]PbS多晶薄膜，用光刻方法制作PbS芯片图形，进行金属化、敏化等工序制成PbS探测器芯片。用JSM-6510LV型扫描电子显微镜观测PbS薄膜形貌。

1.2 PbS光导探测器芯片性能参数的测试

选某批次某型PbS探测器芯片32片，用PbS探测器专用测试系统测试试验前后的性能参数。测试条件为：黑体温度500K、光阑孔径4mm、调制频率800Hz、距离40cm、噪声带宽180Hz。

1.3 PbS光导探测器芯片湿热环境试验

按GJB1788-93要求：PbS探测器湿热试验在相对湿度90%～95%，温度可以选择为25℃、30℃、40℃，持续时间为48～240h不等的条件下进行。因PbS芯片是在50±2℃的条件下长时间老化处理，为考察湿热对芯片性能的影响，同时也是为增加试验强度，缩短试验周期，试验采用温度为50±2℃，相对湿度95%的条件下进行。试验设备为Tenney six型湿热箱。

试验流程与具体步骤为：测试试验前PbS探测器芯片的暗阻d等性能参数；PbS芯片放置在Tenney six型湿热箱中，环境温度保持在50±2℃，相对湿度≥95%，持续时间分别为1h、24h、2×24h、3×24h、4×24h、5×24h、7×24h后测试其性能参数。

2 实验结果与讨论

采用化学浴沉积法制备PbS多晶薄膜，并经光刻、金属化、敏化等工序制成PbS探测器芯片。用JSM-6510LV型扫描电子显微镜观测PbS薄膜形貌，形貌图如图1所示。

由图可以看出，PbS薄膜表面为粗糙面，是由大量的PbS单个颗粒沉积生长而成。

PbS探测器芯片，经湿热环境试验1h、24h、2×24h、3×24h、4×24h、5×24h、7×24h测试其各环境试验后的性能参数，所测试的暗阻结果见图2所示。

图2中，图例A、B、C、D、E、G、H、I分别为PbS探测器在环境试验前、湿热环境下1h、24h、2×24h、3×24h、4×24h、5×24h、7×24h后探测器芯片阻值的分布曲线。湿热环境暗阻值平均增幅随试验持续时间的变化趋势如图3所示。

图1 PbS多晶薄膜SEM形貌图

图2 环境试验前后暗阻分布图

图3 潮湿试验后暗阻的平均增量与试验时间关系图

由图2可以看出，PbS探测器芯片在湿热环境下1h的短时间存放后，其暗阻值与湿热试验前暗阻基本没变化，暗阻值分布基本重合（图例A和图例B），即短时间的湿热环境下不足以影响PbS探测器芯片的暗阻。而在湿热环境下存放24h之后，PbS探测器芯片暗阻值增大，增幅多在50%以上（见图2中的图例C），有的甚至增加至原来的2倍。也就是说，PbS探测器芯片在湿热环境下，首次的24h后，PbS芯片的暗阻值有较大幅度的增长。之后，持续存放在湿热环境每24h后，其暗阻依然逐渐增大，且暗阻值增量随时间递增呈正比例关系（如图3所示），平均增量约0.2mW/24h。当湿热试验进行到7×24h后，部分PbS探测器芯片暗阻出现陡增现象，暗阻值高达近3mW或显示不稳定值，如图2中图例I。

PbS探测器芯片经不同时间的湿热环境试验，其信号与噪音影响变化较小，在5%以内，当湿热试验进行到7×24h后，部分试验样件无法测试出响应信号。

在温度为50±2℃，相对湿度为≥95%的湿热环境中，存在大量的H2O分子和O2分子。PbS探测器芯片由大量的PbS晶粒沉积于基片制备而成，其主体为PbS多晶薄膜，如图1所示。颗粒之间必定存在大量的空隙，颗粒之间的空隙大大增加了PbS颗粒与H2O分子和O2分子的接触面。

干燥的PbS探测器芯片在进入湿热环境下时，一方面，颗粒表面存在吸附，构成表面吸附态，这种表面吸附态，吸附H2O分子和O2分子。而在PbS表面，氧分子的吸附能力高，氧分子吸附后对其周围原子的电荷影响较为明显[9-10]。表面态束缚电子使自由电子减少，从而使其电阻增大[11]；而且，PbS芯片在湿热环境下一段时间之后，因O－和HO－增加，使其电子空穴对减少，载流子浓度减小，电导率减小，也使得暗电阻增加；另外，在PbS颗粒的周围（颗粒之间的空隙内）因湿热环境引入的H2O本身也存在电阻。由此综合产生的暗阻值增加量D。

PbS探测器芯片在湿热环境下1h的短时间内，产生的上述表面吸附态等现象与过程不明显，湿热环境对PbS薄膜颗粒周围原子的电荷影响甚微，以至于暗阻值变化极小，PbS薄膜颗粒周围所吸附和增加的H2O的量也有限，由此产生的∆很小，甚至接近为0，此时暗阻值分布与试验前分布基本重合（见图2中图例A和图例B）。而在湿热环境中24h之后，H2O已与PbS颗粒充分接触和吸附，以上这些因素所增加的电阻∆与PbS的电阻0构成一个等效的串联电阻（如图4所示），从而使得PbS芯片整体阻值大幅度增加，如图2中图例C。

图4 PbS在环境实验后形成的等效电阻示意图

持续在湿热环境中2×24h之后，探测器芯片的薄膜颗粒结构所吸附的H2O的量成为引起暗阻值增大的主导因素，随着持续在湿热环境下的时间增长，阻值逐渐增大。且相同的时间内，由于所吸附的H2O的量相当，由H2O产生的阻值基本一致，其暗阻值增量随时间递增呈正比例关系（如图3所示）。当湿热环境试验进行到7×24h后，PbS探测器芯片的薄膜颗粒结构对H2O的吸附量过大，部分试验样件所测试的阻值其主体部分均是吸附的H2O产生的电阻（为最初试验前暗阻值的3倍），暗阻出现陡增现象或暗阻值显示不稳定，如图2中图例I所示，已经失去作为探测器芯片所具有特性，器件失效。

PbS探测器芯片经不同时间的湿热环境试验，其信号与噪音影响变化较小，在5%以内，当湿热环境试验进行到7×24h后，部分试验样件无法测试出响应信号，也说明此时PbS探测器芯片样件已经失效。鉴于湿热环境对PbS探测器可靠性的影响，PbS芯片封装在干燥或充满氮气的密闭壳体内使用，也有在前端制作浸没透镜的方式，以起钝化及保护作用，在PbS器件的生产期间，均需在较为干燥的环境下进行。

3 结论

对PbS探测器芯片实施了湿热环境试验，湿热环境1h不足以改变PbS探测器的性能参数；在湿热环境下持续放置24h后，PbS的暗阻会有超过试验前暗阻50%的幅度增大；此后每24h之后，随着在潮湿环境下放置的时间增长，阻值逐渐增大，暗阻值平均增量随时间递增且呈正比例关系。暗阻变化，是由于PbS颗粒在湿热环境下存在吸附，表面态发生变化，同时也使载流子浓度减小，以及H2O产生的电阻组成的综合增量∆，与PbS颗粒的电阻0构成一个等效的串联电阻，∆随着PbS芯片在湿热环境时间增长而增大。PbS探测器芯片经不同时间的湿热环境试验，其信号与噪音影响变化稳定在5%以内。当湿热环境试验进行到7×24h后，部分试验样件无法测试出响应信号，样件失效。鉴于湿热环境对PbS探测器可靠性的影响，在PbS器件的生产期间，均需在较为干燥的环境下进行。

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Reliability of PbS Photoconductive Detector in Hydrothermal Environment

CHEN Feng-jin1，SI Jun-jie1,2，SHI Zheng-feng1

（1.，471009，；2.，471009，）

The PbS films have been prepared by CMD, and the surface morphology of which is showed, performance and experiment in hydrothermal environment (50±2℃, relative humidity≥95%) are specified. The performances of PbS photoconductive detectors in hydrothermal environment are analysed, which have not been influenced in hydrothermal environment for 1h. The Rdhas increased by 50% in hydrothermal environment for 24h, and the average increment of PbS detector is in direct proportion to the time of hydrothermal environment after 2×24h、3×24h、4×24h、5×24h. Some samples have been failed after 7×24h in hydrothermal environment .

hydrothermal environment，dark impedance，PbS，photoconductive detector，performance reliability，surface adsorption.

TN215

A

1001-8891(2015)06-0510-04

2014-10-21；

2014-12-21.

陈凤金，男，（1976-），江西宁都人，高级工程师，主要从事红外探测器及光学薄膜技术研究。E-mail：Cfjin-mail@tom.com。