甚长波碲镉汞红外探测器制备研究

田 震,宋淑芳,邢艳蕾,孙 浩,刘世光

(中电科光电科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

碲镉汞(Hg1-xCdxTe,以下简称MCT,其中x为Cd的组分)是一种直接带隙的半导体材料,具有可调的禁带宽度,可以覆盖从短波、中波、长波以及甚长波整个红外波段,成为一种理想的红外探测器材料,目前也被广泛应用于各类红外探测器的制备。甚长波红外焦平面是第三代红外探测技术发展的重要方向之一,对于弹道导弹防御、气象监测、环球表面监测、行星探索等空间红外系统具有非常关键的作用,也是当前世界各国研究的热点。在大气层中,H2O和CO2等许多分子的吸收线均分布在3～26 μm范围内,通过包含甚长波波段的多波段光谱监测分析,就可以获知大气的湿度、CO2含量以及云层的结构、轮廓、高度、大小、数量等参数,可以被广泛应用于气象预报、大气污染监测、温室效应分析等多个领域,并对其他光学波段的分析具有很重要的参考意义,成为大气遥感探测的重要组成部分。利用大气在甚长波红外波段的部分小窗口可以对地面进行探测,获得诸如植被类型、河流污染程度等地球表面信息；同时,在森林火灾预警方面可以得到火灾的温度、程度、范围等重要细节,以及火山爆发时喷发物的浓度和烟雾波及分布范围等重要信息。因此甚长波碲镉汞红外探测器在气象监测、对地探测以及天文观测等领域都具有良好的应用前景[1]。此外,在军事领域,弹道导弹中段、高空目标探测、临近空间态势感知等中低轨预警卫星等武器系统的发展,也对甚长波红外探测器提出了迫切的应用需求。

本文报道了华北光电技术研究所在甚长波碲镉汞红外探测焦平面组件研制方面的进展情况,该探测器组件采用p-on-n型台面异质结结构,通过In掺杂和As掺杂液相外延工艺生长了p-on-n型双层异质结碲镉汞材料[2-3],利用台面型器件工艺、表侧壁钝化、电极制备和In柱互连工艺,最终制备出了阵列规格为640×512、像元间距25 μm的焦平面阵列芯片及微型杜瓦组件样品,进而验证了p-on-n台面型焦平面器件的制备技术路线。在65 K的工作温度下,对制备的甚长波碲镉汞探测器组件进行了光电性能表征及成像试验,获得了较好的器件性能和成像效果。

图1(a)和图1(b)分别为制备的p-on-n型台面型焦平面器件的像元阵列在显微镜下的图像和单元结构示意图,该器件的阵列规格为640×512,像元间距为25 μm；像元为台面结构,采用In柱互连方案。其中采用In掺杂的n型层材料作为光敏元区,其载流子浓度可以控制在较低的浓度水平,该材料的少子寿命和扩散长度等性能指标均优于p型材料,因此采用该n型吸收层材料制备的器件可以获得更低的暗电流水平。这一结构是针对提升长波及甚长波碲镉汞红外探测器的性能需求而发展起来的技术路线,对于中短波器件,n型吸收层材料的高迁移率对减小器件的串联电阻也是有利的,能够实现更高的工作温度。为抑制表面漏电,器件采用了双层组分异质(DLHJ)结构,该工艺是由美国Lockheed Martin IR Imaging System等公司发展起来的[4-5],器件采用台面结和CdTe钝化工艺。目前,该技术为美国雷神和BAE公司制备长波、甚长波以及高温工作碲镉汞红外焦平面器件的主流技术路线,最新的进展可见相关报道[6-8]。

(a) (b)

2 甚长波碲镉汞材料生长

HgCdTe薄膜材料的生长方法主要有液相外延(LPE)、金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等方法,其中LPE从20世纪70年代初期就开始用于HgCdTe 薄膜材料的制备,即从饱和溶液中在碲锌镉(CdZnTe)等衬底上生长外延层的方法。目前该技术已非常成熟,具有晶格质量高和工艺稳定的突出优点,已经被广泛用于批量生产一代和二代碲镉汞探测器的制备。液相外延生长过程是在高温溶液中进行的,与其他碲镉汞薄膜生长技术相比较,具有以下优点:(1)生长过程接近于热力学平衡,薄膜具有低缺陷,高结晶性能的优点。(2)生长溶液中比汽(气)相含有更高浓度的溶质,具有高生长速度的优点。(3)在非真空下成形,具有制备成本低的优点。目前国内外长波及甚长波碲镉汞探测器通常都是采用液相外延技术生长p-on-n型的碲镉汞薄膜材料来实现探测器组件的制备[9-10]。

2.1 n型吸收层材料外延生长

采用富碲水平液相外延技术生长吸收层材料,并通过In掺杂调整吸收层的n型载流子的浓度.在一定的浓度范围,铟在富碲生长溶液中可以以任意比例溶解,而且掺入铟后生长溶液的性质不发生明显的改变,因此采用富碲液相外延生长方式,实现低浓度的铟掺杂比较容易实现,作为探测器光敏区的吸收层材料,n型掺杂的浓度要远远低于采用p型掺杂所能控制的浓度范围,有利于更有效地控制暗电流和光致电流的大小,采用该结构制备的器件的R0A值,要比采用n-on-p同质结构制备的甚长波碲镉汞探测器组件高近一个数量级。如图2所示。

(a)位错密度7.6×104cm-2 (b)双晶衍射半峰宽:26.04 arcsec

在碲镉汞薄膜材料中,吸收层的载流子浓度与In掺杂浓度和Hg偏压的平方根成正比,而In在碲镉汞材料中的激活能只有11 eV,扩散系数通常为5×1014cm2·V-1·s-1(300 K),可以直接激活。通过调整In的掺杂浓度及碲镉汞组分比例以及生长条件等工艺参数,优化液相外延生长工艺,目前已经制备出了高质量的甚长波碲镉汞n型原位掺杂薄膜材料,材料的双晶衍射半峰宽小于30 arcsec(如图2所示),位错密度低于1×105cm-2,载流子迁移率可以达到1.1×105cm2·V-1·s-1。

2.2 p型cap层材料生长

采用富汞垂直液相外延技术可以实现高浓度的As掺杂并了直接激活As元素成为受主杂质。在生长工艺上,富汞液相外延存在着因Hg压过高(十几个大气压)所带来的设备结构复杂和生长过程控制难等特殊困难,而且Cd在富汞母液的溶解度很小,一般Cd含量在生长溶液中仅占万分之几,薄膜外延生长过程中Cd组分的变化将会很明显,因此碲镉汞薄膜材料中存在较大的Cd组分梯度变化,生长过程中温度波动和母液组分变化较快,将导致材料生长的工艺重复性变差,对器件的性能将产生非常大的影响。通过不断优化富汞垂直液相外延的降温曲线、生长速率以及组分配比等工艺参数,目前已经可以制备出表面平整的碲镉汞薄膜材料,采用富汞垂直液相外延工艺生长前和生cap层材料后的表面形貌变化如图3所示。采用二次离子质谱仪(SIMS)方法测试cap层碲镉汞薄膜的材料厚度和As的掺杂浓度,cap层的组分梯度和As掺杂浓度分布测试结果如图4所示。采用霍尔测试测量As掺杂的cap层碲镉汞薄膜材料的载流子浓度和迁移率,与SIMS测试的As掺杂浓度范围进行对比,确认As掺杂元素实现了接近100 %的激活率。

图3 显微镜下p-on-n型双层异质结材料表面形貌Fig.3 Surface morphology of the p-on-n HgCdTe heterostructure epilayer

图4 p+-on-n双层异质结碲镉汞材料组分及掺杂浓度分布SIMS测试结果Fig.4 SIMS profile of VLWIR LPE p+-on-n HgCdTe heterostructure film

3 台面型焦平面器件的制备

在甚长波碲镉汞焦平面探测器的制备过程中,本文采用ICP干法刻饰和湿化学腐蚀相结合的工艺来分离光敏感元的微台面列阵,再经过表侧壁钝化、金属化合铟柱制备和互连等工艺获得了640×512、25 μm像元中心间距的p+-on-n台面结器件。图5为制备的台面结构与侧壁钝化后的扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)图,测试结果表明甚长波640×512台面型器件中,各像元的台面结构和占空比具有较好的一致性和均匀性,并获得了良好的侧壁钝化效果。

(a)像元阵列 (b)SEM图

在77 K下,对该甚长波焦平面的像元进行了I-V性能测试(见图6)。可以看出,该甚长波器件中像元的反向击穿电压可达到200 mV以上,能够满足工作偏压通常只有几十毫伏左右的碲镉汞红外探测器的偏置电压需求。

4 甚长波红外探测器的光电性能表征

甚长波640×512碲镉汞芯片通过倒装互连与读出电路进行耦合,然后经退火回流工艺处理,装入到金属真空杜瓦中,适配斯特林制冷机,从而制备出碲镉汞甚长波红外探测器微杜瓦组件样品。然后在65 K左右的工作温度下,对该组件的光电性能进行了测试评价。

图6 甚长波碲镉汞器件的I-V特性Fig.6 I-V curves for p-on-n VLWIR photodiodes manufactured

该甚长波红外探测器的光谱响应测试结果如图7所示,通过提升碲镉汞材料的组分和厚度均匀性,在该甚长波640×512探测器芯片上,不同区域像元的后截止波长基本上控制在14.25～14.35 μm的范围,展现了非常良好的光谱响应一致性,有利于在一定的波长范围内获得更均匀的光电响应,从而保证了甚长波探测器组件的响应均匀性,同时也有利于降低探测器组件的噪声[9]。

图7 甚长波640×512探测器芯片不同区域像元的光谱响应测试结果Fig.7 Spectral responses for each set of detectors

探测器的性能测试如图8所示,盲元率为1.90 %,盲元分布非常分散,主要是来自材料缺陷、器件工艺中引起的噪声较大的过热盲元,未产生较大的盲元簇,探测器芯片的峰值探测率和响应率不均匀性分别8.09×1010cm·Hz1/2·W-1和11.33 %,NETD达到34.15 mK。

为了验证该甚长波探测器对低温目标的探测效果,进行了低温目标的成像演示试验。图9为该探测器对不同温度范围探测目标的实际成像结果,其中作左图为常温目标人手的成像,右图为将液氮倒入漏斗的成像图,可以清楚看到液氮流动分布区域的图象,验证了甚长波探测器对77 K低温目标的识别探测效果。该试验表明,目前制备的甚长波组件性能较好,已经非常接近实用化的应用要求,后续将根据用户的实际需求,有针对性地对盲元率(连续盲元)和噪声等效温差等指标持续进行提升。

图8 640×256元甚长波红外探测器芯片的20 ℃电平图及盲元图(20 ℃/35 ℃)Fig.8 Defective pixel map of MCT VLWIR 640×512, 25 μm pitch detector array

图9 甚长波640×512探测器组件成像图Fig.9 IR images taken with a 640×512,25 μm pitch MCT VIWIR detector array operated at 65 K

5 结 论

本文总结了基于p-on-n异质结技术制备了甚长波碲镉汞红外探测器的主要进展情况,通过对p-on-n型碲镉汞材料生长及芯片制备工艺进行优化,获得了缺陷密度更低的高质量甚长波碲镉汞双层异质结薄膜材料以及像元中心距25 μm、性能更好的640×512甚长波碲镉汞芯片。主要性能指标测试及成像结果表明,该甚长波640×512碲镉汞探测器制冷组件的性能良好,已经可以达到实用化的应用要求,成像效果清晰。后续研究正在进行中,主要集中在更高的信噪比、更低盲元率和更长波段以及更高的工作温度等四个方向上,此类型碲镉汞甚长波红外探测器的研制成果,将有助于推进对低温目标的空间探测、气象分析等装备对甚长波红外探测器的广泛应用需求。