甚长波碲镉汞探测器的注入区扩散研究

刘世光,邢艳蕾,张 敏,张 轶,吴 卿,王成刚

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

碲镉汞红外探测器以其量子效率高、波长可调等优点在军事、宇航、民用领域均有广泛应用[1-2]。近些年来光谱探测、空间探测等研究方向对于波长≥12 μm的甚长波碲镉汞探测器需求强烈[3]。

目前国内广泛采用了n-on-p的技术路线制备碲镉汞探测器,在碲锌镉基碲镉汞上以B离子注入的方式,注入成结。注入后经过激活退火,实际尺寸会有所变化,而且由于载流子的扩散作用,实际光敏面的大小会进一步扩大[4]。本文为了探究甚长波碲镉汞探测器的实际光敏面相对于注入区的扩散效应,开展实验设计和数据处理分析研究。

2 实验方案

为研究碲镉汞红外探测器的注入区扩散,设计了不同注入区的光刻版图(如图1所示)。为了尽量避免材料、器件工艺、电路的细微差别给结果带来的差别,在同一片材料、同一个管芯上排布了5个不同注入区尺寸的区域,可以保证,材料、器件的工艺完全一致,并且互连同一片电路,最大程度地控制了可变因素,每个区域之间出注入区尺寸不同外,其他工艺条件完全相同。

图1 像元中心间距30 μm的注入区示意图(L为注入区光刻尺寸)

选用在碲锌镉衬底上液相外延生长的甚长波碲镉汞材料,除注入区的光刻步骤外,器件采用典型的甚长波320×256,30 μm中心间距的器件版图和器件工艺条件。在320×256阵列上选取5个相同的64×256的区域,每个区域设计为6 μm×6 μm、8 μm×8 μm、10 μm×10 μm、12 μm×12 μm、14 μm×14 μm的注入区光刻尺寸(见图2),所使用的注入能量与单位面积注入剂量均相同。

图2 不同尺寸的注入区设计示意

器件制备完成后,倒装互连与320×256的读出电路连接形成互连混成芯片,像元通过铟柱与读出电路上的像素处理单元相互连接。

3 测试与结果分析

器件制备完成后,封装到杜瓦结构中进行测试,制冷到77 K工作温度后,经焦平面探测系统,依据GB/T 17444-2013[5]测试探测器的性能,测得后截止波长为12.25 μm。选取20 ℃和35 ℃的黑体温度进行信号测量,将35 ℃黑体温度下和20 ℃黑体温度下的输出电平之差作记为信号阵列Vs[i,j]。信号阵列的灰度如图3所示。通过图3,可以看到,不同注入区之间的信号大小差异非常明显。由于材料和其他器件工艺相同,单位有效光敏面面积上量子效率以及单位时间的信号相同,相同积分时间下决定不同区域信号Vs的因素为有效光敏面的面积。

取Vs为信号值,A(L,r)为有效光敏面面积,影响因素L为注入区光刻尺寸;r为注入区扩散距离。以上表述可写作

Vs=a×t×A(L,r)

(1)

其中,a为单位有效光敏面积在单位积分时间的信号电压;t为积分时间。

由于沿每个方向的扩散距离大小相同,扩散后的区域分布如图4所示。

图4 扩散后的有效光敏面A(L,r)的分布

分析图4几何关系,可知:

A(L,r)=L2+4Lr+πr2

(2)

代入式(1)有:

Vs=a×t×(L2+4Lr+πr2)

(3)

当Vs的单位取mV,t的单位取ms,L和r的单位取μm时,a的单位为V/s·μm2。

为了进一步定量分析对比不同尺寸注入区的影响,对每个64×256区域进行剔除过热像元和死像元[5]后,取Vs[i,j]的平均值作为每个区域的平均信号Vs(表1)。77 K工作温度下使用的积分时间t=0.0307 ms。

表1 77 K工作温度下,不同注入区光刻尺寸的信号值

对Vs和L的数据进行拟合(图5),可得到77 K工作温度下,单位有效光敏面积在单位时间的信号电压为a=3.609 V/s·μm2,扩散距离r=2.698 μm,数据点与拟合曲线重合良好,R2=0.999,说明式(3)的模型很好地描述了注入区扩散的现象。

图5 区域平均信号Vs随注入区光刻尺寸L的变化及其拟合结果@77 K

由于甚长波探测器经常需要降低工作温度来抑制暗电流的影响,60 K也为其典型的工作温度。为了研究60 K下的扩散情况并与77 K的情况进行对比,使用微杜瓦进行封装,对60 K下的性能进行了测试,按照同样的处理方法也可获得不同区域的平均信号值Vs(表2)。60 K工作温度下使用的积分时间t=0.2 ms。

表2 60 K工作温度下,不同注入区光刻尺寸的信号值

对60 K下的Vs和L的数据进行拟合(图6),可得到60 K工作温度下,单位有效光敏面积在单位时间的信号电压为a=3.872 V/s·μm2,扩散距离r=3.001 μm,数据点与拟合曲线重合良好,R2=0.994。

图6 区域平均信号Vs随注入区光刻尺寸L的变化及其拟合结果@60 K

根据60 K和77 K的拟合结果可见60 K下的单位有效光敏面积在单位时间的信号电压值a=3.872 V/s·μm2比77 K下a=3.609 V/s·μm2略大,主要原因是,60下后截止波长扩展到了13.03 μm,在前截止波长由同一滤光片确定的前提下,响应波段变宽,因此a有所增大。

同时可以看到60 K下的扩散距离3.001 μm相比于77 K下的2.698 μm增长了0.3 μm。

由于不同温度下的扩散距离不同,因此在后续设计器件的注入区时,可根据此数据及器件工作温度,确定最佳的注入区光刻尺寸。

4 结论与验证

通过以上分析,得到了注入区设计尺寸L与实际探测器信号Vs的直接对应关系模型如下式所示:

Vs=a×t×(L2+4Lr+πr2)

(4)

其中,t为积分时间;a和r为与温度相关的常熟;a的物理意义为单位有效光敏面积在单位时间的信号电压;r的物理意义为注入区的扩散距离。

使用此公式,对其他不同设计注入区尺寸的探测器进行了对比验证,如表3所示,误差均在10%以内,说明本模型很好地描述了注入区设计尺寸、积分时间和最终测试得到的平均信号电压的关系。

表3 不同注入区尺寸和积分时间下实测值与计算对比

5 总 结

通过设计不同注入区尺寸的区域,进行数据拟合,得到了60 K和77 K工作温度下实际光敏面相对注入区光刻尺寸的扩散距离,并得到了不同温度下的单位有效光敏面积在单位时间的响应电压值数据,获得了将注入区设计尺寸、积分时间和最终信号电压的模型关系,并在其他注入区尺寸以及积分时间的器件上获得了验证,对于甚长波探测器的高吻合度设计提升提供了可靠的设计方法和预测模型。