甚長波碲鎘汞紅外探測器制備研究

田 震,宋淑芳,邢艷蕾,孫 浩,劉世光

(中電科光電科技有限公司,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞(Hg1-xCdxTe,以下簡稱MCT,其中x為Cd的組分)是一種直接帶隙的半導(dǎo)體材料,具有可調(diào)的禁帶寬度,可以覆蓋從短波、中波、長波以及甚長波整個紅外波段,成為一種理想的紅外探測器材料,目前也被廣泛應(yīng)用于各類紅外探測器的制備。甚長波紅外焦平面是第三代紅外探測技術(shù)發(fā)展的重要方向之一,對于彈道導(dǎo)彈防御、氣象監(jiān)測、環(huán)球表面監(jiān)測、行星探索等空間紅外系統(tǒng)具有非常關(guān)鍵的作用,也是當(dāng)前世界各國研究的熱點。在大氣層中,H2O和CO2等許多分子的吸收線均分布在3～26 μm范圍內(nèi),通過包含甚長波波段的多波段光譜監(jiān)測分析,就可以獲知大氣的濕度、CO2含量以及云層的結(jié)構(gòu)、輪廓、高度、大小、數(shù)量等參數(shù),可以被廣泛應(yīng)用于氣象預(yù)報、大氣污染監(jiān)測、溫室效應(yīng)分析等多個領(lǐng)域,并對其他光學(xué)波段的分析具有很重要的參考意義,成為大氣遙感探測的重要組成部分。利用大氣在甚長波紅外波段的部分小窗口可以對地面進(jìn)行探測,獲得諸如植被類型、河流污染程度等地球表面信息；同時,在森林火災(zāi)預(yù)警方面可以得到火災(zāi)的溫度、程度、范圍等重要細(xì)節(jié),以及火山爆發(fā)時噴發(fā)物的濃度和煙霧波及分布范圍等重要信息。因此甚長波碲鎘汞紅外探測器在氣象監(jiān)測、對地探測以及天文觀測等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景[1]。此外,在軍事領(lǐng)域,彈道導(dǎo)彈中段、高空目標(biāo)探測、臨近空間態(tài)勢感知等中低軌預(yù)警衛(wèi)星等武器系統(tǒng)的發(fā)展,也對甚長波紅外探測器提出了迫切的應(yīng)用需求。

本文報道了華北光電技術(shù)研究所在甚長波碲鎘汞紅外探測焦平面組件研制方面的進(jìn)展情況,該探測器組件采用p-on-n型臺面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),通過In摻雜和As摻雜液相外延工藝生長了p-on-n型雙層異質(zhì)結(jié)碲鎘汞材料[2-3],利用臺面型器件工藝、表側(cè)壁鈍化、電極制備和In柱互連工藝,最終制備出了陣列規(guī)格為640×512、像元間距25 μm的焦平面陣列芯片及微型杜瓦組件樣品,進(jìn)而驗證了p-on-n臺面型焦平面器件的制備技術(shù)路線。在65 K的工作溫度下,對制備的甚長波碲鎘汞探測器組件進(jìn)行了光電性能表征及成像試驗,獲得了較好的器件性能和成像效果。

圖1(a)和圖1(b)分別為制備的p-on-n型臺面型焦平面器件的像元陣列在顯微鏡下的圖像和單元結(jié)構(gòu)示意圖,該器件的陣列規(guī)格為640×512,像元間距為25 μm；像元為臺面結(jié)構(gòu),采用In柱互連方案。其中采用In摻雜的n型層材料作為光敏元區(qū),其載流子濃度可以控制在較低的濃度水平,該材料的少子壽命和擴(kuò)散長度等性能指標(biāo)均優(yōu)于p型材料,因此采用該n型吸收層材料制備的器件可以獲得更低的暗電流水平。這一結(jié)構(gòu)是針對提升長波及甚長波碲鎘汞紅外探測器的性能需求而發(fā)展起來的技術(shù)路線,對于中短波器件,n型吸收層材料的高遷移率對減小器件的串聯(lián)電阻也是有利的,能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作溫度。為抑制表面漏電,器件采用了雙層組分異質(zhì)(DLHJ)結(jié)構(gòu),該工藝是由美國Lockheed Martin IR Imaging System等公司發(fā)展起來的[4-5],器件采用臺面結(jié)和CdTe鈍化工藝。目前,該技術(shù)為美國雷神和BAE公司制備長波、甚長波以及高溫工作碲鎘汞紅外焦平面器件的主流技術(shù)路線,最新的進(jìn)展可見相關(guān)報道[6-8]。

(a) (b)

2 甚長波碲鎘汞材料生長

HgCdTe薄膜材料的生長方法主要有液相外延(LPE)、金屬有機氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)等方法,其中LPE從20世紀(jì)70年代初期就開始用于HgCdTe 薄膜材料的制備,即從飽和溶液中在碲鋅鎘(CdZnTe)等襯底上生長外延層的方法。目前該技術(shù)已非常成熟,具有晶格質(zhì)量高和工藝穩(wěn)定的突出優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛用于批量生產(chǎn)一代和二代碲鎘汞探測器的制備。液相外延生長過程是在高溫溶液中進(jìn)行的,與其他碲鎘汞薄膜生長技術(shù)相比較,具有以下優(yōu)點:(1)生長過程接近于熱力學(xué)平衡,薄膜具有低缺陷,高結(jié)晶性能的優(yōu)點。(2)生長溶液中比汽(氣)相含有更高濃度的溶質(zhì),具有高生長速度的優(yōu)點。(3)在非真空下成形,具有制備成本低的優(yōu)點。目前國內(nèi)外長波及甚長波碲鎘汞探測器通常都是采用液相外延技術(shù)生長p-on-n型的碲鎘汞薄膜材料來實現(xiàn)探測器組件的制備[9-10]。

2.1 n型吸收層材料外延生長

采用富碲水平液相外延技術(shù)生長吸收層材料,并通過In摻雜調(diào)整吸收層的n型載流子的濃度.在一定的濃度范圍,銦在富碲生長溶液中可以以任意比例溶解,而且摻入銦后生長溶液的性質(zhì)不發(fā)生明顯的改變,因此采用富碲液相外延生長方式,實現(xiàn)低濃度的銦摻雜比較容易實現(xiàn),作為探測器光敏區(qū)的吸收層材料,n型摻雜的濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于采用p型摻雜所能控制的濃度范圍,有利于更有效地控制暗電流和光致電流的大小,采用該結(jié)構(gòu)制備的器件的R0A值,要比采用n-on-p同質(zhì)結(jié)構(gòu)制備的甚長波碲鎘汞探測器組件高近一個數(shù)量級。如圖2所示。

(a)位錯密度7.6×104cm-2 (b)雙晶衍射半峰寬:26.04 arcsec

在碲鎘汞薄膜材料中,吸收層的載流子濃度與In摻雜濃度和Hg偏壓的平方根成正比,而In在碲鎘汞材料中的激活能只有11 eV,擴(kuò)散系數(shù)通常為5×1014cm2·V-1·s-1(300 K),可以直接激活。通過調(diào)整In的摻雜濃度及碲鎘汞組分比例以及生長條件等工藝參數(shù),優(yōu)化液相外延生長工藝,目前已經(jīng)制備出了高質(zhì)量的甚長波碲鎘汞n型原位摻雜薄膜材料,材料的雙晶衍射半峰寬小于30 arcsec(如圖2所示),位錯密度低于1×105cm-2,載流子遷移率可以達(dá)到1.1×105cm2·V-1·s-1。

2.2 p型cap層材料生長

采用富汞垂直液相外延技術(shù)可以實現(xiàn)高濃度的As摻雜并了直接激活A(yù)s元素成為受主雜質(zhì)。在生長工藝上,富汞液相外延存在著因Hg壓過高(十幾個大氣壓)所帶來的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜和生長過程控制難等特殊困難,而且Cd在富汞母液的溶解度很小,一般Cd含量在生長溶液中僅占萬分之幾,薄膜外延生長過程中Cd組分的變化將會很明顯,因此碲鎘汞薄膜材料中存在較大的Cd組分梯度變化,生長過程中溫度波動和母液組分變化較快,將導(dǎo)致材料生長的工藝重復(fù)性變差,對器件的性能將產(chǎn)生非常大的影響。通過不斷優(yōu)化富汞垂直液相外延的降溫曲線、生長速率以及組分配比等工藝參數(shù),目前已經(jīng)可以制備出表面平整的碲鎘汞薄膜材料,采用富汞垂直液相外延工藝生長前和生cap層材料后的表面形貌變化如圖3所示。采用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)方法測試cap層碲鎘汞薄膜的材料厚度和As的摻雜濃度,cap層的組分梯度和As摻雜濃度分布測試結(jié)果如圖4所示。采用霍爾測試測量As摻雜的cap層碲鎘汞薄膜材料的載流子濃度和遷移率,與SIMS測試的As摻雜濃度范圍進(jìn)行對比,確認(rèn)As摻雜元素實現(xiàn)了接近100 %的激活率。

圖3 顯微鏡下p-on-n型雙層異質(zhì)結(jié)材料表面形貌Fig.3 Surface morphology of the p-on-n HgCdTe heterostructure epilayer

圖4 p+-on-n雙層異質(zhì)結(jié)碲鎘汞材料組分及摻雜濃度分布SIMS測試結(jié)果Fig.4 SIMS profile of VLWIR LPE p+-on-n HgCdTe heterostructure film

3 臺面型焦平面器件的制備

在甚長波碲鎘汞焦平面探測器的制備過程中,本文采用ICP干法刻飾和濕化學(xué)腐蝕相結(jié)合的工藝來分離光敏感元的微臺面列陣,再經(jīng)過表側(cè)壁鈍化、金屬化合銦柱制備和互連等工藝獲得了640×512、25 μm像元中心間距的p+-on-n臺面結(jié)器件。圖5為制備的臺面結(jié)構(gòu)與側(cè)壁鈍化后的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)圖,測試結(jié)果表明甚長波640×512臺面型器件中,各像元的臺面結(jié)構(gòu)和占空比具有較好的一致性和均勻性,并獲得了良好的側(cè)壁鈍化效果。

(a)像元陣列 (b)SEM圖

在77 K下,對該甚長波焦平面的像元進(jìn)行了I-V性能測試(見圖6)。可以看出,該甚長波器件中像元的反向擊穿電壓可達(dá)到200 mV以上,能夠滿足工作偏壓通常只有幾十毫伏左右的碲鎘汞紅外探測器的偏置電壓需求。

4 甚長波紅外探測器的光電性能表征

甚長波640×512碲鎘汞芯片通過倒裝互連與讀出電路進(jìn)行耦合,然后經(jīng)退火回流工藝處理,裝入到金屬真空杜瓦中,適配斯特林制冷機,從而制備出碲鎘汞甚長波紅外探測器微杜瓦組件樣品。然后在65 K左右的工作溫度下,對該組件的光電性能進(jìn)行了測試評價。

圖6 甚長波碲鎘汞器件的I-V特性Fig.6 I-V curves for p-on-n VLWIR photodiodes manufactured

該甚長波紅外探測器的光譜響應(yīng)測試結(jié)果如圖7所示,通過提升碲鎘汞材料的組分和厚度均勻性,在該甚長波640×512探測器芯片上,不同區(qū)域像元的后截止波長基本上控制在14.25～14.35 μm的范圍,展現(xiàn)了非常良好的光譜響應(yīng)一致性,有利于在一定的波長范圍內(nèi)獲得更均勻的光電響應(yīng),從而保證了甚長波探測器組件的響應(yīng)均勻性,同時也有利于降低探測器組件的噪聲[9]。

圖7 甚長波640×512探測器芯片不同區(qū)域像元的光譜響應(yīng)測試結(jié)果Fig.7 Spectral responses for each set of detectors

探測器的性能測試如圖8所示,盲元率為1.90 %,盲元分布非常分散,主要是來自材料缺陷、器件工藝中引起的噪聲較大的過熱盲元,未產(chǎn)生較大的盲元簇,探測器芯片的峰值探測率和響應(yīng)率不均勻性分別8.09×1010cm·Hz1/2·W-1和11.33 %,NETD達(dá)到34.15 mK。

為了驗證該甚長波探測器對低溫目標(biāo)的探測效果,進(jìn)行了低溫目標(biāo)的成像演示試驗。圖9為該探測器對不同溫度范圍探測目標(biāo)的實際成像結(jié)果,其中作左圖為常溫目標(biāo)人手的成像,右圖為將液氮倒入漏斗的成像圖,可以清楚看到液氮流動分布區(qū)域的圖象,驗證了甚長波探測器對77 K低溫目標(biāo)的識別探測效果。該試驗表明,目前制備的甚長波組件性能較好,已經(jīng)非常接近實用化的應(yīng)用要求,后續(xù)將根據(jù)用戶的實際需求,有針對性地對盲元率(連續(xù)盲元)和噪聲等效溫差等指標(biāo)持續(xù)進(jìn)行提升。

圖8 640×256元甚長波紅外探測器芯片的20 ℃電平圖及盲元圖(20 ℃/35 ℃)Fig.8 Defective pixel map of MCT VLWIR 640×512, 25 μm pitch detector array

圖9 甚長波640×512探測器組件成像圖Fig.9 IR images taken with a 640×512,25 μm pitch MCT VIWIR detector array operated at 65 K

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了基于p-on-n異質(zhì)結(jié)技術(shù)制備了甚長波碲鎘汞紅外探測器的主要進(jìn)展情況,通過對p-on-n型碲鎘汞材料生長及芯片制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,獲得了缺陷密度更低的高質(zhì)量甚長波碲鎘汞雙層異質(zhì)結(jié)薄膜材料以及像元中心距25 μm、性能更好的640×512甚長波碲鎘汞芯片。主要性能指標(biāo)測試及成像結(jié)果表明,該甚長波640×512碲鎘汞探測器制冷組件的性能良好,已經(jīng)可以達(dá)到實用化的應(yīng)用要求,成像效果清晰。后續(xù)研究正在進(jìn)行中,主要集中在更高的信噪比、更低盲元率和更長波段以及更高的工作溫度等四個方向上,此類型碲鎘汞甚長波紅外探測器的研制成果,將有助于推進(jìn)對低溫目標(biāo)的空間探測、氣象分析等裝備對甚長波紅外探測器的廣泛應(yīng)用需求。