碲鎘汞紅外探測(cè)器電極接觸研究

何 斌,劉 明,寧 提,陳書(shū)真,祁嬌嬌

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外焦平面探測(cè)器發(fā)展至今,碲鎘汞在紅外探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域一直處于主流地位,碲鎘汞紅外探測(cè)器覆蓋了從短波到甚長(zhǎng)波(1～16 μm)的整個(gè)紅外波段,各個(gè)波段都展現(xiàn)出了較好的性能[1]。碲鎘汞紅外探測(cè)器是以pn結(jié)的光伏效應(yīng)為基本原理,空間電荷區(qū)吸收的光生載流子被pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)分離,形成光電壓信號(hào)。大規(guī)模的pn結(jié)陣列形成的光電流必須經(jīng)過(guò)金屬電極再傳送給讀出電路,完成后續(xù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換[2]。在探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程中,電極接觸較差往往會(huì)產(chǎn)生較大電流噪聲,導(dǎo)致像元無(wú)響應(yīng)信號(hào)或者響應(yīng)信號(hào)小,從而被判定為盲元。因此,金屬/碲鎘汞電極接觸往往決定了器件的性能與穩(wěn)定性,是工藝過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

碲鎘汞作為一種贗二元化合物,由HgTe與CdTe按照一定比例合成,在金屬化過(guò)程,Hg-Te鍵較為脆弱,Hg易被置換形成金屬-Te鍵[3-4]。但金屬Cr與碲鎘汞的界面惰性較大,不易發(fā)生深擴(kuò)散[5],同時(shí)Au在低溫下具有良好的導(dǎo)電性和延展性,目前通常采用Cr/Au金屬電極體系[6]。

在熱蒸發(fā)、磁控濺射及離子束沉積等多種薄膜生長(zhǎng)方法中,離子束沉積具有薄膜致密性好、附著力高與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[7]。離子束沉積技術(shù)通過(guò)離子源引出Ar離子撞擊金屬靶材,使得靶材原子不斷脫落靶面,沉積在芯片表面,生長(zhǎng)的金屬薄膜通常具有較好的臺(tái)階覆蓋性。然而,對(duì)于光敏感元微臺(tái)面陣列的探測(cè)芯片,離子束沉積技術(shù)利用高能離子束轟擊靶材,產(chǎn)生的二次粒子可能對(duì)樣品造成一定損傷。為了制備具有低損傷、高密度與高臺(tái)階覆蓋性等優(yōu)異性能的碲鎘汞電極結(jié)構(gòu),本文表征了不同沉積條件下的電極/碲鎘汞界面與器件伏安特性曲線,探究了束流、束壓以及熱處理等條件對(duì)碲鎘汞紅外探測(cè)器電極接觸的影響。

2 實(shí) 驗(yàn)

采用液相外延工藝在CdZnTe襯底材料上生長(zhǎng)HgCdTe外延層,使用磁控濺射設(shè)備在HgCdTe表面生長(zhǎng)CdTe及ZnS復(fù)合鈍化膜層,采用離子注入技術(shù),在HgCdTe上制備pn結(jié),用ICP干法刻蝕設(shè)備在碲鎘汞表面刻蝕出電極接觸孔,之后用離子束沉積系統(tǒng)分別采用不同的生長(zhǎng)束壓、束流與沉積距離,在接觸孔上生長(zhǎng)CrAu電極,完成表1中a、b、c與d四組樣品的制備。

表1 a、b、c、d四組樣品電極沉積的束流、束壓與沉積距離

采用低溫霍爾測(cè)試系統(tǒng)得到碲鎘汞表面的載流子濃度,通過(guò)半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀采集器件的I-V特性曲線,采用聚焦離子束與掃描電鏡表征金屬/碲鎘汞接觸界面。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 電極沉積對(duì)探測(cè)器I-V曲線的影響

在離子束沉積金屬薄膜過(guò)程中,束壓是指從離子源射出惰性氣體離子攜帶的能量,束流是指單位時(shí)間單位面積從離子源中發(fā)射的離子數(shù)量[7]。當(dāng)用一定能量的惰性氣體離子轟擊金屬靶材,從靶面產(chǎn)生的背散射粒子主要是金屬離子和部分散射氣體原子。碲鎘汞表面若一直受到較高能量粒子轟擊,在金屬化工藝過(guò)程中有可能受到損傷[8]。

圖1是碲鎘汞紅外探測(cè)芯片的模型圖；圖2采用不同的束流、束壓與沉積距離等沉積電極,利用半導(dǎo)體參數(shù)儀得到了77 K下碲鎘汞紅外探測(cè)器的I-V與R-V曲線。

圖1 碲鎘汞紅外探測(cè)芯片的模型圖

圖2(a)與(b),a組的束壓與束流是900 V/200 mA,b組的束壓與束流是1500 V/200 mA。在I-V曲線中,a組反向平坦電壓與反向飽和電流為750 mV與4.8 nA；而b組反向平坦電壓與反向飽和電流為450 mV與4.1 nA,并表現(xiàn)出軟擊穿的趨勢(shì)。pn結(jié)反向擊穿電壓一般與pn結(jié)兩端的摻雜濃度相關(guān),摻雜濃度越高,空間電荷區(qū)越窄；在一定外加反向偏壓下,空間電荷區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度越高,pn結(jié)越容易雪崩擊穿[9]。對(duì)于碲鎘汞紅外探測(cè)芯片,這可能是較高能量的Ar+離子轟擊金屬靶材后,反射粒子能量較大,造成表面n型碲鎘汞內(nèi)部Hg-Te鍵斷裂,Hg填隙原子增加,n區(qū)摻雜濃度上升[10-11]。沉積過(guò)程中的束壓越高,反射粒子可能造成的損傷越大,b組更易觀察到雪崩擊穿效應(yīng)。同時(shí),摻雜濃度上升使空間電荷區(qū)變窄,會(huì)減小了擴(kuò)散-復(fù)合機(jī)制產(chǎn)生的反向電流[12],造成了b組反向飽和電流小于a組反向飽和電流。

圖2 a、b、c與d四組樣品的I-V曲線

圖2(b)與(c),b組的束壓與束流是1500 V/200 mA,c組的束壓與束流是1500 V/275 mA。在I-V曲線中,相比b組反向平坦電壓與反向飽和電流450 mV與4.1 nA,c組的反向平坦電壓與反向飽和電流減小到300 mV與2.4 nA。在沉積金屬的過(guò)程中,c組增大了束流,單位時(shí)間單位面積內(nèi)轟擊n型碲鎘汞表面的粒子數(shù)增多,可能加重了對(duì)表面n型碲鎘汞的損傷。n區(qū)的摻雜濃度升高,空間電荷區(qū)進(jìn)一步變窄,造成了c組的雪崩擊穿電壓和反向飽和電流小于b組的雪崩擊穿電壓和反向飽和電流。

圖2(b)與(d),b組與d組束壓與束流1500 V/200 mA,d組將沉積距離從30 cm增加至50 cm。從I-V曲線可知,相比b組反向平坦電壓450 mV,d組的反向平坦電壓可達(dá)500 mV,軟擊穿現(xiàn)象消失；相比b組的反向飽和電流4.1 nA,d組的反向飽和電流上稍增至5 nA。這可能是延長(zhǎng)了沉積距離,在相同的自由程下,d組的反射粒子能量在到達(dá)樣品前低于c組的反射粒子能量,減小了電極沉積損傷。

3.2 霍爾測(cè)試與掃描電鏡

為了驗(yàn)證電極沉積會(huì)對(duì)碲鎘汞表面帶來(lái)?yè)p傷,對(duì)a、b、c與d組樣品在生長(zhǎng)電極前、生長(zhǎng)電極后分別進(jìn)行范德堡法測(cè)試,得到圖3中四組樣品在電極生長(zhǎng)前后的載流子濃度增量。a組樣品在生長(zhǎng)電極前與生長(zhǎng)電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=1.2305×1018/cm3,b組樣品在生長(zhǎng)電極前與生長(zhǎng)電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=1.9436×1017/cm3,c組樣品在生長(zhǎng)電極前與生長(zhǎng)電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=2.3608×1017/cm3,d組樣品在生長(zhǎng)電極前與生長(zhǎng)電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=0.1616×1017/cm3。

圖3 a、b、c、d四組樣品在電極生長(zhǎng) 前后的載流子濃度增量

霍爾測(cè)試結(jié)果表明,生長(zhǎng)電極前后碲鎘汞表面的載流子濃度增量與沉積電極條件有關(guān)。對(duì)比a組、b組與c組的載流子濃度變化關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)沉積金屬的束壓與束流越高,對(duì)材料的表面載流子濃度改變?cè)酱螅贿@可能是沉積過(guò)程中反射粒子能量較高,造成碲鎘汞Hg-Te鍵斷裂,Hg填隙原子增加,n區(qū)摻雜濃度上升。對(duì)比b組與d組的載流子濃度變化關(guān)系,保持束流與束壓不變,延長(zhǎng)沉積距離,在反射粒子自由程不變的情況下,有可能降低了沉積到碲鎘汞表面粒子的能量,減小電極沉積損傷。

為了觀察離子束沉積的碲鎘汞電極結(jié)構(gòu),圖4采用聚焦離子束與掃描電鏡表征出了碲鎘汞/電極截面圖。對(duì)于不同沉積條件下的碲鎘汞/電極截面,可以發(fā)現(xiàn)鈍化層與電極層之間連接緊密,連接部分十分平滑,表明電極層與ZnS的粘附性較好。在電極層與碲鎘汞層的接觸孔部分,未發(fā)現(xiàn)明顯的空隙與電極脫落,電極沉積的十分致密,這表明在臺(tái)面陣列的探測(cè)芯片中,離子束沉積生長(zhǎng)的薄膜有很好的側(cè)壁覆蓋性,電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高。因此,通過(guò)離子束沉積技術(shù),碲鎘汞紅外探測(cè)芯片可以得到高密度與高臺(tái)階覆蓋性的電極結(jié)構(gòu),但要盡量避免工藝過(guò)程對(duì)材料造成的損傷。

圖4 不同電極沉積條件下的截面圖

3.3 熱處理對(duì)金屬-半導(dǎo)體接觸性能的影響

為了探究熱處理工藝能否改善碲鎘汞紅外探測(cè)器的電極接觸性能,將b與c組具有軟擊穿現(xiàn)象的樣品在200 ℃下進(jìn)行高溫退火處理,得到圖5中77 K下兩組樣品的I-V與R-V曲線。

如圖5(a)與(b),b組與c組樣品在退火后,在0～750 mV內(nèi)兩組樣品I-V曲線的反向擊穿現(xiàn)象消失,反向平坦電壓都有一定程度升高。相比圖1(b)與(c),b組與c組在熱處理后的反向飽和電流都變大,同時(shí)零偏結(jié)阻抗稍有減小。這可能是在高溫退火后,經(jīng)過(guò)活化晶格,碲鎘汞內(nèi)外Hg原子交換順暢[13],斷裂的Hg-Te鍵可能重新成鍵,修復(fù)了電極沉積時(shí)能量過(guò)大造成的損傷[14-15]。

為了驗(yàn)證上述假設(shè),對(duì)b組與c組在電極生長(zhǎng)前、生長(zhǎng)電極后、熱處理后分別進(jìn)行范德堡法測(cè)試材料表面n型碲鎘汞的載流子濃度。如圖6,b組在電極生長(zhǎng)前載流子濃度ne=6.6939×1017/cm3,生長(zhǎng)電極后載流子濃度ne=8.6375×1017/cm3,高溫退火后載流子濃度ne=7.8744×1017/cm3。c組在生長(zhǎng)電極前載流子濃度ne=6.0988×1017/cm3,生長(zhǎng)電極后載流子濃度ne=8.4596×1017/cm3,高溫退火后載流子濃度ne=6.8063×1017/cm3。b與c組樣品的載流子濃度都表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢(shì),在熱處理后的載流子濃度趨向于未沉積電極前的水平,這表明了熱處理后在一定程度上修復(fù)了電極沉積損傷。相比退火之前,退火后碲鎘汞表面摻雜濃度普遍下降,空間電荷區(qū)將變寬,在相同的電壓量程內(nèi)空間電荷區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度變小,不易發(fā)生雪崩擊穿效應(yīng)；同時(shí),空間電荷區(qū)變寬會(huì)增大了擴(kuò)散-復(fù)合機(jī)制產(chǎn)生的反向電流。因此,對(duì)損傷較大的碲鎘汞器件在沉積電極后進(jìn)行熱處理,可以增大擊穿電壓,提高電極接觸的穩(wěn)定性。

圖6 在電極生長(zhǎng)前、生長(zhǎng)電極后、熱處理后表面 n型碲鎘汞的載流子濃度

4 結(jié) 論

本文采用了離子束沉積系統(tǒng)沉積金屬電極,探究了束流、束壓以及熱處理等條件對(duì)碲鎘汞紅外探測(cè)器伏安特性曲線的影響。研究表明,在沉積金屬電極后碲鎘汞表面會(huì)受到一定程度的損傷,而且隨著束流與束壓的升高,對(duì)材料表面造成的損傷加劇。在I-V曲線中,電極沉積損傷較大的器件表現(xiàn)出軟擊穿現(xiàn)象,這很有可能是較高能量的束流轟擊金屬靶材后,反射粒子能量較大,對(duì)n型碲鎘汞表面持續(xù)轟擊,造成n型碲鎘汞內(nèi)部Hg-Te鍵斷裂,n區(qū)摻雜濃度增加；空間電荷區(qū)變窄,在一定的偏壓下電場(chǎng)強(qiáng)度更大,更易發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。在熱處理后,I-V曲線與霍爾測(cè)試表明,電極沉積后退火在一定程度上可以修復(fù)電極沉積時(shí)能量過(guò)大造成的損傷,增大雪崩擊穿電壓,提高了電極接觸的穩(wěn)定性。