碲镉汞红外探测器电极接触研究

何 斌,刘 明,宁 提,陈书真,祁娇娇

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

红外焦平面探测器发展至今,碲镉汞在红外探测器技术领域一直处于主流地位,碲镉汞红外探测器覆盖了从短波到甚长波(1～16 μm)的整个红外波段,各个波段都展现出了较好的性能[1]。碲镉汞红外探测器是以pn结的光伏效应为基本原理,空间电荷区吸收的光生载流子被pn结的内建电场分离,形成光电压信号。大规模的pn结阵列形成的光电流必须经过金属电极再传送给读出电路,完成后续的信号转换[2]。在探测器信号转换过程中,电极接触较差往往会产生较大电流噪声,导致像元无响应信号或者响应信号小,从而被判定为盲元。因此,金属/碲镉汞电极接触往往决定了器件的性能与稳定性,是工艺过程中的关键环节。

碲镉汞作为一种赝二元化合物,由HgTe与CdTe按照一定比例合成,在金属化过程,Hg-Te键较为脆弱,Hg易被置换形成金属-Te键[3-4]。但金属Cr与碲镉汞的界面惰性较大,不易发生深扩散[5],同时Au在低温下具有良好的导电性和延展性,目前通常采用Cr/Au金属电极体系[6]。

在热蒸发、磁控溅射及离子束沉积等多种薄膜生长方法中,离子束沉积具有薄膜致密性好、附着力高与结构简单等优点[7]。离子束沉积技术通过离子源引出Ar离子撞击金属靶材,使得靶材原子不断脱落靶面,沉积在芯片表面,生长的金属薄膜通常具有较好的台阶覆盖性。然而,对于光敏感元微台面阵列的探测芯片,离子束沉积技术利用高能离子束轰击靶材,产生的二次粒子可能对样品造成一定损伤。为了制备具有低损伤、高密度与高台阶覆盖性等优异性能的碲镉汞电极结构,本文表征了不同沉积条件下的电极/碲镉汞界面与器件伏安特性曲线,探究了束流、束压以及热处理等条件对碲镉汞红外探测器电极接触的影响。

2 实 验

采用液相外延工艺在CdZnTe衬底材料上生长HgCdTe外延层,使用磁控溅射设备在HgCdTe表面生长CdTe及ZnS复合钝化膜层,采用离子注入技术,在HgCdTe上制备pn结,用ICP干法刻蚀设备在碲镉汞表面刻蚀出电极接触孔,之后用离子束沉积系统分别采用不同的生长束压、束流与沉积距离,在接触孔上生长CrAu电极,完成表1中a、b、c与d四组样品的制备。

表1 a、b、c、d四组样品电极沉积的束流、束压与沉积距离

采用低温霍尔测试系统得到碲镉汞表面的载流子浓度,通过半导体参数测试仪采集器件的I-V特性曲线,采用聚焦离子束与扫描电镜表征金属/碲镉汞接触界面。

3 实验结果与讨论

3.1 电极沉积对探测器I-V曲线的影响

在离子束沉积金属薄膜过程中,束压是指从离子源射出惰性气体离子携带的能量,束流是指单位时间单位面积从离子源中发射的离子数量[7]。当用一定能量的惰性气体离子轰击金属靶材,从靶面产生的背散射粒子主要是金属离子和部分散射气体原子。碲镉汞表面若一直受到较高能量粒子轰击,在金属化工艺过程中有可能受到损伤[8]。

图1是碲镉汞红外探测芯片的模型图；图2采用不同的束流、束压与沉积距离等沉积电极,利用半导体参数仪得到了77 K下碲镉汞红外探测器的I-V与R-V曲线。

图1 碲镉汞红外探测芯片的模型图

图2(a)与(b),a组的束压与束流是900 V/200 mA,b组的束压与束流是1500 V/200 mA。在I-V曲线中,a组反向平坦电压与反向饱和电流为750 mV与4.8 nA；而b组反向平坦电压与反向饱和电流为450 mV与4.1 nA,并表现出软击穿的趋势。pn结反向击穿电压一般与pn结两端的掺杂浓度相关,掺杂浓度越高,空间电荷区越窄；在一定外加反向偏压下,空间电荷区内的电场强度越高,pn结越容易雪崩击穿[9]。对于碲镉汞红外探测芯片,这可能是较高能量的Ar+离子轰击金属靶材后,反射粒子能量较大,造成表面n型碲镉汞内部Hg-Te键断裂,Hg填隙原子增加,n区掺杂浓度上升[10-11]。沉积过程中的束压越高,反射粒子可能造成的损伤越大,b组更易观察到雪崩击穿效应。同时,掺杂浓度上升使空间电荷区变窄,会减小了扩散-复合机制产生的反向电流[12],造成了b组反向饱和电流小于a组反向饱和电流。

图2 a、b、c与d四组样品的I-V曲线

图2(b)与(c),b组的束压与束流是1500 V/200 mA,c组的束压与束流是1500 V/275 mA。在I-V曲线中,相比b组反向平坦电压与反向饱和电流450 mV与4.1 nA,c组的反向平坦电压与反向饱和电流减小到300 mV与2.4 nA。在沉积金属的过程中,c组增大了束流,单位时间单位面积内轰击n型碲镉汞表面的粒子数增多,可能加重了对表面n型碲镉汞的损伤。n区的掺杂浓度升高,空间电荷区进一步变窄,造成了c组的雪崩击穿电压和反向饱和电流小于b组的雪崩击穿电压和反向饱和电流。

图2(b)与(d),b组与d组束压与束流1500 V/200 mA,d组将沉积距离从30 cm增加至50 cm。从I-V曲线可知,相比b组反向平坦电压450 mV,d组的反向平坦电压可达500 mV,软击穿现象消失；相比b组的反向饱和电流4.1 nA,d组的反向饱和电流上稍增至5 nA。这可能是延长了沉积距离,在相同的自由程下,d组的反射粒子能量在到达样品前低于c组的反射粒子能量,减小了电极沉积损伤。

3.2 霍尔测试与扫描电镜

为了验证电极沉积会对碲镉汞表面带来损伤,对a、b、c与d组样品在生长电极前、生长电极后分别进行范德堡法测试,得到图3中四组样品在电极生长前后的载流子浓度增量。a组样品在生长电极前与生长电极后n型碲镉汞的载流子浓度增量Δne=1.2305×1018/cm3,b组样品在生长电极前与生长电极后n型碲镉汞的载流子浓度增量Δne=1.9436×1017/cm3,c组样品在生长电极前与生长电极后n型碲镉汞的载流子浓度增量Δne=2.3608×1017/cm3,d组样品在生长电极前与生长电极后n型碲镉汞的载流子浓度增量Δne=0.1616×1017/cm3。

图3 a、b、c、d四组样品在电极生长 前后的载流子浓度增量

霍尔测试结果表明,生长电极前后碲镉汞表面的载流子浓度增量与沉积电极条件有关。对比a组、b组与c组的载流子浓度变化关系,可以发现沉积金属的束压与束流越高,对材料的表面载流子浓度改变越大；这可能是沉积过程中反射粒子能量较高,造成碲镉汞Hg-Te键断裂,Hg填隙原子增加,n区掺杂浓度上升。对比b组与d组的载流子浓度变化关系,保持束流与束压不变,延长沉积距离,在反射粒子自由程不变的情况下,有可能降低了沉积到碲镉汞表面粒子的能量,减小电极沉积损伤。

为了观察离子束沉积的碲镉汞电极结构,图4采用聚焦离子束与扫描电镜表征出了碲镉汞/电极截面图。对于不同沉积条件下的碲镉汞/电极截面,可以发现钝化层与电极层之间连接紧密,连接部分十分平滑,表明电极层与ZnS的粘附性较好。在电极层与碲镉汞层的接触孔部分,未发现明显的空隙与电极脱落,电极沉积的十分致密,这表明在台面阵列的探测芯片中,离子束沉积生长的薄膜有很好的侧壁覆盖性,电极结构的稳定性较高。因此,通过离子束沉积技术,碲镉汞红外探测芯片可以得到高密度与高台阶覆盖性的电极结构,但要尽量避免工艺过程对材料造成的损伤。

图4 不同电极沉积条件下的截面图

3.3 热处理对金属-半导体接触性能的影响

为了探究热处理工艺能否改善碲镉汞红外探测器的电极接触性能,将b与c组具有软击穿现象的样品在200 ℃下进行高温退火处理,得到图5中77 K下两组样品的I-V与R-V曲线。

如图5(a)与(b),b组与c组样品在退火后,在0～750 mV内两组样品I-V曲线的反向击穿现象消失,反向平坦电压都有一定程度升高。相比图1(b)与(c),b组与c组在热处理后的反向饱和电流都变大,同时零偏结阻抗稍有减小。这可能是在高温退火后,经过活化晶格,碲镉汞内外Hg原子交换顺畅[13],断裂的Hg-Te键可能重新成键,修复了电极沉积时能量过大造成的损伤[14-15]。

为了验证上述假设,对b组与c组在电极生长前、生长电极后、热处理后分别进行范德堡法测试材料表面n型碲镉汞的载流子浓度。如图6,b组在电极生长前载流子浓度ne=6.6939×1017/cm3,生长电极后载流子浓度ne=8.6375×1017/cm3,高温退火后载流子浓度ne=7.8744×1017/cm3。c组在生长电极前载流子浓度ne=6.0988×1017/cm3,生长电极后载流子浓度ne=8.4596×1017/cm3,高温退火后载流子浓度ne=6.8063×1017/cm3。b与c组样品的载流子浓度都表现出先升高后降低的变化趋势,在热处理后的载流子浓度趋向于未沉积电极前的水平,这表明了热处理后在一定程度上修复了电极沉积损伤。相比退火之前,退火后碲镉汞表面掺杂浓度普遍下降,空间电荷区将变宽,在相同的电压量程内空间电荷区的电场强度变小,不易发生雪崩击穿效应；同时,空间电荷区变宽会增大了扩散-复合机制产生的反向电流。因此,对损伤较大的碲镉汞器件在沉积电极后进行热处理,可以增大击穿电压,提高电极接触的稳定性。

图6 在电极生长前、生长电极后、热处理后表面 n型碲镉汞的载流子浓度

4 结 论

本文采用了离子束沉积系统沉积金属电极,探究了束流、束压以及热处理等条件对碲镉汞红外探测器伏安特性曲线的影响。研究表明,在沉积金属电极后碲镉汞表面会受到一定程度的损伤,而且随着束流与束压的升高,对材料表面造成的损伤加剧。在I-V曲线中,电极沉积损伤较大的器件表现出软击穿现象,这很有可能是较高能量的束流轰击金属靶材后,反射粒子能量较大,对n型碲镉汞表面持续轰击,造成n型碲镉汞内部Hg-Te键断裂,n区掺杂浓度增加；空间电荷区变窄,在一定的偏压下电场强度更大,更易发生雪崩击穿现象。在热处理后,I-V曲线与霍尔测试表明,电极沉积后退火在一定程度上可以修复电极沉积时能量过大造成的损伤,增大雪崩击穿电压,提高了电极接触的稳定性。