中波碲镉汞p-on-n高温工作技术研究

陈慧卿,史春伟,胡尚正,孙海燕,王成刚,孙 浩

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是一种重要的红外探测材料,由于其禁带宽度可调,探测光谱范围由短波波段一直延伸到甚长波波段。为了满足国家安全、环境监测、科研和空间应用的需要,制备大面阵、多光谱、高性能的第三代红外探测器是未来发展的重点[1]。欧美发达国家提出了一个新的概念SWaP(size,weight and power),用于指代尺寸、重量和功耗,降低成本、减小尺寸、提高性能是当前碲镉汞红外探测器研究的推动因素。实现SWaP的重要途径是提高红外探测器的工作温度,关键技术是降低器件暗电流[2]。As掺杂的p-on-n技术由于其自身具有的独特优势在高温工作、长波及甚长波方向发展迅速,从理论上说,p-on-n碲镉汞结构衬底具有低的多数载流子(电子)浓度,因此更容易获得长的少数载流子(空穴)寿命,从而降低暗电流和提高R0A值[3],同时,制备高性能p-on-n器件必须有非常高质量的材料,同时还要针对关键工艺技术(As离子激活、表面钝化、退火、刻蚀、倒装互连等工艺)开展专门的研究。碲镉汞p-on-n焦平面器件有两条不同的技术路线,一种是在n型衬底上通过离子注入的方式As掺杂形成p区,另一种是采用原位生长的方式进行As掺杂。本文采用As离子注入形成p区,该路线与n-on-p路线同为平面结工艺,有利于制备更大面阵和更小间距的焦平面器件。

2 实 验

采用液相外延工艺在CdZnTe衬底材料上生长中波掺In碲镉汞N型外延层,N型外延层材料的载流子浓度需控制在1×1014～1×1015cm-3范围内,合适的In掺杂浓度将得到较小的暗电流。在碲镉汞材料表面光刻图形,使用离子注入工艺将As离子注入到材料内部,其中,注入能量决定As离子注入深度,注入剂量决定As离子掺杂浓度,注入能量300 keV～400 keV,注入剂量为2×1014～2×1015/cm2,注入后的碲镉汞材料进行高低温As激活退火处理,高温退火条件为370 ℃/3h,低温退火条件为250 ℃/24 h。As离子激活退火后,采用磁控溅射工艺在材料表面制备碲化镉与硫化锌复合钝化膜层,然后湿法腐蚀工艺制备接触孔,在接触孔内生长Cr/Au/Pt金属电极体系,完成电学性能的引出,制备如图1所示p-on-n器件结构,将制备的15 μm中心间距中波640×512器件与读出电路倒装互连后,制备出中波640×512 p-on-n红外探测器芯片。

图1 碲镉汞p-on-n器件结构示意图Fig.1 Schematic diagram of HgCdTe device structure

本文通过二次离子质谱仪(SIMS)测试注入后及退火后 As 离子在碲镉汞层的浓度分布,采用透射电镜(TEM)表征激活退火后离子注入损伤修复状态,使用半导体参数测试仪评价pn结的IV特性。探测器芯片装入变温杜瓦中测试,放在焦平面光谱测试系统平台上测量出光谱响应曲线。采用焦平面参数测试系统测试芯片在不同温度下的有效像元率、噪声等效温差及相应不均匀性等焦平面关键技术指标。

3 实验结果及讨论

3.1 As离子注入及退火激活

As 离子注入及激活退火工艺直接关系到p型层浓度,必须要在富汞气氛中经过两次退火来激活它的电活性,高温退火目的在于完成As离子的电激活并消除注入引起的晶格损伤,低温退火的目的在于填充汞空位使碲镉汞衬底的电性能恢复为 N型。As是一种两性掺杂元素,既可以作为浅施主AsHg+置于Hg位,又可以作为浅受主AsTe-置于Te位。目前被普遍认同的是berding M A提出的退火电激活模型,第一步,Te原子转移到阳离子空位,形成Te反位TeHg；第二步,As原子转移到空出的Te空位,形成AsTe,并留下Hg空位；第三步,TeHg和VHg形成复合体,远离AsTe而去,最终过饱和并扩散到表面消失或形成Te夹杂物[4-5]。图2为注入能量分别为320 keV和380 keV的As离子浓度分布曲线。

(a)320 keV

(b)380 keV

从图2可以看出,As原子量较大,虽然注入能量很大,但注入深度较浅,随着注入能量变大,As离子深度增加,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,注入后材料表面出现大量缺陷,碲镉汞受到严重损伤,如图3(a)所示。经过富汞激活退火后,As离子进一步向材料内部扩散,深度增加至1 μm左右,如图4所示,内部缺陷完成修复,如图3(b)所示。

(a)离子注入后 (b)激活退火后

图4 As离子激活退火后浓度分布曲线Fig.4 Arsenic concentration distribution curves after activation annealing

3.2 中波碲镉汞p-on-n器件IV性能评价

As离子激活退火后,在材料表面制备高质量的碲化镉与硫化锌复合钝化膜层,可以有效抑制表面漏电流,然后通过湿法腐蚀工艺制备接触孔,好处在于湿法腐蚀碲镉汞可完全避免干法刻蚀损伤的产生,在接触孔内生长Cr/Au/Pt金属电极体系,完成电学性能的引出,将制备的器件放在低温探针台上降至液氮温度,使用半导体参数测试仪测试pn结的IV特性,图5为制备的中波碲镉汞p-on-n器件IV曲线,器件开启电压约120 mV,反向电流约为5～10 nA,反向平坦区大于1 V,器件表现出良好的IV特性。

3.3 中波640×512 p-on-n红外探测器芯片焦平面参数测试

将中心间距为15 μm中波640×512 器件通过铟柱与低功耗低噪声读出电路倒装互连后,制备出中波640×512 p-on-n红外探测器芯片。将芯片放在焦平面光谱测试系统平台上,制冷到130 K,通过焦平面参数测试系统使使探测器输出电压正常,测量出光谱响应曲线,如图6所示,光谱响应范围为3.2～5 μm。将芯片置于焦平面参数测试系统中,分别测量80 K、90 K、100 K、110 K、120 K及130 K温度下的性能,如图7所示,当工作温度由 80 K 变化至120 K 时,NETD 由22.6 mK 变化至26.4 mK,保持在30 mK 以下,有效像元率由99.86 %下降至99.19 %,探测器性能已达到国内领先水平。当工作温度继续升高至130 K时,响应信号随着暗电流的增大下降明显,1/f噪声逐渐增加。此外,随着工作温度的升高,由于暗电流急剧增加引起的盲元明显增加,这说明现有芯片的品质因子还有待提高,关键工艺还需进一步优化,这样才能保证随着工作温度的升高,芯片性能保持相对稳定。

图5 中波碲镉汞p-on-n器件IV曲线Fig.5 IV curve characteristic of MWIR p-on-n HgCdTe device

图6 碲镉汞p-on-n探测器芯片红外光谱测试曲线Fig.6 Infrared spectrum curve of MWIR p-on-n HgCdTe chip

图7 不同温度下中波碲镉汞p-on-n探测器芯片性能Fig.7 Performance of the MWIR p-on-n HgCdTe chip at different temperatures

4 结 论

As掺杂p-on-n技术由于其自身具有的独特优势,在高温工作、长波及甚长波方向是一条重要的技术路线。本文通过离子注入的方式完成As离子掺杂,注入后产生大量缺陷,经富汞退火后缺陷基本完成修复并实现As离子的电激活,制备的pn结性能稳定。测试了中波p-on-n探测器芯片在不同工作温度下的焦平面性能指标,在120 K温度下有效像元率可以达到99 %以上,但随着温度继续升高,盲元率快速增加,探测器芯片还需继续针对关键工艺进行优化,提高其可靠性及技术成熟度。