摘要

 

報道了基於分子束外延的短/中波雙色碲鎘汞材料及器件的最新研究進展。采用分子束外延方法製備出了高質量的短/中波雙色碲鎘汞材料
，並通過提高材料質量將其表麵缺陷密度控製在300 cm-2以內。在此基礎上進一步優化了芯片製備工藝
，尤其是在減小像元中心距方麵作了優化。基於上述多項材料及器件工藝製備出了320 × 256短/中波雙色碲鎘汞紅外探測器組件。結果表明
，該組件的測試性能及成像效果良好。

 

0 引言

 

隨sui著zhe紅hong外wai探tan測ce器qi應ying用yong範fan圍wei的de不bu斷duan擴kuo展zhan和he紅hong外wai隱yin身shen技ji術shu水shui平ping的de日ri益yi提ti高gao，人ren們men期qi望wang在zai更geng為wei複fu雜za的de背bei景jing及ji環huan境jing下xia實shi現xian高gao精jing度du的de高gao速su紅hong外wai探tan測ce，同tong時shi提ti高gao識shi別bie準zhun確que率lv。雙shuang／多色紅外焦平麵探測器組件可通過多波段對比去除幹擾信號，從而更為有效地提取目標信息，因此具有迫切
、廣泛的應用需求。其中
，短/中波雙色紅外焦平麵探測器組件不僅在導彈預警、氣象探測、資源遙感等方麵有著明確需求，而且還在機載偵察係統、低空地空導彈光電火控係統、精確製導武器等方麵具有廣闊的應用前景。

 

本文報道了中國電子科技集團公司第十一研究所（以下簡稱“中國電科11所”）在短/中波雙色碲鎘汞紅外探測器組件研製方麵的最新進展：通過分子束外延技術獲得了高質量短/中波雙色碲鎘汞材料

；芯片采用半平麵雙注入結構
，其Ｉ-Ｖ性能良好
；再經過讀出電路互聯和封裝工藝，形成了短／中波雙色器件；在80 K的工作溫度下，對探測器組件進行了光電性能表征及成像試驗
，獲得了良好的成像效果。

 

1 材料生長及器件製備

 

采用芬蘭DCA儀器公司生產的P600型分子束外延係統製備雙色材料

，即在襯底材料上分別外延短波碲鎘汞吸收層、高組分碲鎘汞阻擋層、中波碲鎘汞吸收層以及碲化鎘鈍化層。芯片采用半平麵雙注入結構（示意圖和版圖分別見圖1和圖2）。經過鈍化、退火
、光刻、注入、刻蝕、電極生長等工藝後
，完成短/中波雙色芯片的製備。該芯片與矽讀出電路進行倒裝互聯

，然後被封裝到真空杜瓦中，並耦合製冷機，從而形成完整組件。

 

圖1 半平麵雙注入結構的示意圖

 

采用光學顯微鏡對雙色材料的表麵缺陷密度進行統計，然後通過Ｉ-Ｖ測試以及掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對芯片進行表征。組件測試在80 K溫度下進行，主要包括探測率

、盲元率
、非均勻性等方麵。最後對雙色組件進行成像演示。

 

圖2 芯片版圖的示意圖

 

2 材料及芯片工藝的優化

 

2.1 材料性能優化設計

 

在現有的短/中(zhong)波(bo)雙(shuang)色(se)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)工(gong)藝(yi)中(zhong)，作(zuo)為(wei)首(shou)先(xian)生(sheng)長(chang)的(de)吸(xi)收(shou)層(ceng)，短(duan)波(bo)層(ceng)的(de)材(cai)料(liao)質(zhi)量(liang)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)雙(shuang)色(se)材(cai)料(liao)的(de)質(zhi)量(liang)。尤(you)其(qi)是(shi)由(you)短(duan)波(bo)層(ceng)生(sheng)長(chang)引(yin)入(ru)的(de)缺(que)陷(xian)在(zai)經(jing)過(guo)阻(zu)擋(dang)層(ceng)和(he)中(zhong)波(bo)吸(xi)收(shou)層(ceng)放(fang)大(da)後(hou)，極(ji)易(yi)在(zai)雙(shuang)色(se)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)表(biao)麵(mian)上(shang)引(yin)入(ru)直(zhi)徑(jing)大(da)於(yu)10 μm的缺陷，從而增加雙色器件的盲元率。

 

為(wei)降(jiang)低(di)短(duan)波(bo)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)的(de)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)和(he)提(ti)高(gao)材(cai)料(liao)質(zhi)量(liang)，我(wo)們(men)對(dui)矽(gui)基(ji)短(duan)波(bo)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)生(sheng)長(chang)工(gong)藝(yi)進(jin)行(xing)了(le)專(zhuan)項(xiang)研(yan)究(jiu)。分(fen)子(zi)束(shu)外(wai)延(yan)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)的(de)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)主(zhu)要(yao)與(yu)外(wai)延(yan)溫(wen)度(du)
、PHg/PTe束流比、生長速率三個工藝參數相關。根據三者之間的關係
，設計了正交試驗。根據正交試驗表格
，對三因子（外延溫度、PHg/PTe束流比、生長速率，其中PTe與生長速率一一對應，PHg/PTe束流比可簡化為PHg）設計了三水平的試驗。正交表格采用L9（34），見表1。設計的三水平參數值見表2。

 

2.2 材料優化數據分析

 

我wo們men主zhu要yao采cai用yong極ji差cha分fen析xi法fa對dui正zheng交jiao試shi驗yan結jie果guo進jin行xing分fen析xi，其qi原yuan理li是shi將jiang正zheng交jiao試shi驗yan各ge個ge影ying響xiang因yin素su所suo對dui應ying的de極ji差cha值zhi進jin行xing比bi較jiao。根gen據ju相xiang關guan理li論lun可ke知zhi，如ru果guo某mou因yin素su所suo對dui應ying的de極ji差cha值zhi較jiao大da，那na麼me該gai因yin素su就jiu是shi正zheng交jiao試shi驗yan中zhong的de主zhu要yao因yin素su；反之，該因素則是正交試驗中的次要因素。因此，可根據極差值的大小來判斷影響因素的主次。

 

表1 L9（34）正交表

 

表2 三因子三水平參數值表

 

針對本次試驗
，所有樣品均取自同一個生長周期，以排除由分子束外延設備因素造成的影響；取材料組分及厚度相近的樣品，以排除材料參數的影響。將9個樣品的材料參數作為參考樣本（詳見表3），同時將缺陷密度值作為分析數據，得到了表4。

 

表4zhongdeshujuqingchudibiaominglegeyinsuduicailiaoquexiandeyingxiang。shengchangwendusuoduiyingdejichazhizuida，shuomingzaidigegongcailiaodefenzishuwaiyanguochengzhong，shengchangwenduduishiyanjieguodegongxianzuida，zhijiejuedinglecailiaoquexianmidu；其(qi)次(ci)是(shi)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)
，它(ta)在(zai)本(ben)次(ci)試(shi)驗(yan)中(zhong)的(de)作(zuo)用(yong)雖(sui)不(bu)及(ji)生(sheng)長(chang)溫(wen)度(du)，但(dan)在(zai)材(cai)料(liao)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)方(fang)麵(mian)的(de)影(ying)響(xiang)更(geng)大(da)些(xie)
，因(yin)此(ci)可(ke)判(pan)斷(duan)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)對(dui)材(cai)料(liao)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)的(de)變(bian)化(hua)起(qi)到(dao)了(le)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。三(san)個(ge)因(yin)素(su)中(zhong)

，Hg流量所對應的極差值均是最小的

，所以它對試驗結果的影響最小，但也大於誤差項。這說明Hgliuliangduicailiaoquexiandexingchengyouyidingdeyingxiang，danshiqiyingxiangyaoxiaoyushengchangwenduheshengchangsulv。yinci
，zaiyanjiudigegongcailiaoshengchanggongyideguochengzhong，zhuyaogongzuoyinggaifangzaishengchangwenduheshengchangsulvfangmian，erqiexunzhaoheyingyongheshidedigegongcailiaoshengchangwendujiqixiangyingjiangwenquxiandeshengchangsulvshigongyiyouhuazhongdeguanjian。

 

（1）對於因素1：當生長溫度為220℃時，缺陷密度最小
，因此可認為最優的生長溫度應該是220℃。

 

（2）對於因素2：缺陷密度的最優值在51 sccm時取得
；以缺陷密度為優先考量因素，最優的Hg流量應該是51 sccm。

 

（3）對於因素3：缺陷密度在1.5 μm/h時獲得最優值，因此在本次試驗中，1.5 μm/h是shi最zui適shi合he工gong藝yi中zhong降jiang溫wen曲qu線xian的de生sheng長chang速su率lv。但dan是shi該gai試shi驗yan沒mei有you獲huo得de生sheng長chang速su率lv對dui材cai料liao缺que陷xian影ying響xiang的de拐guai點dian處chu。在zai今jin後hou的de工gong藝yi中zhong，可ke繼ji續xu降jiang低di生sheng長chang速su率lv，以yi獲huo得de最zui優you的de生sheng長chang速su率lv值zhi。

 

通過對生長溫度
、Hg流量、生長速率三個關鍵材料工藝參數進行優化，將短/中波雙色材料的缺陷密度從500 cm-2優化到300 cm-2，為最終組件減少盲元奠定了良好的基礎。圖3為碲鎘汞雙色材料表麵的顯微鏡照片。

 

2.3 芯片工藝優化

 

探測器芯片具有半平麵雙注入結構。采用高密度等離子體幹法刻蝕工藝製備短波台麵
，然後使用多腔室磁控濺射係統在表麵上生長ZnS/CdTe複合膜層，並對其進行鈍化處理。通過注入B離子同時對中短波結構進行摻雜來形成p-n結，接著利用Cr/Au/Pt電極體係完成芯片電學性能的引出。其他的工藝步驟（如標記刻蝕、離子注入、退火
、金屬化等）與業內平麵型單色碲鎘汞器件工藝基本一致。本文研製的320 × 256短/中波雙色芯片的像元中心距為30 μm，而前期芯片的像元中心距為50μm，這就在深台麵刻蝕、側壁鈍化等工藝方麵提出了更高的要求。

 

表3 試驗樣品參數

 

表4 樣品缺陷密度正交試驗結果的分析表

 

圖3 碲鎘汞雙色材料表麵的放大圖（200倍）

 

2.3.1 深台麵刻蝕優化

 

深台麵刻蝕采用的是基於CH4和H2工(gong)藝(yi)的(de)幹(gan)法(fa)刻(ke)蝕(shi)工(gong)藝(yi)。其(qi)中(zhong)，聚(ju)合(he)物(wu)的(de)生(sheng)成(cheng)及(ji)排(pai)出(chu)的(de)動(dong)態(tai)關(guan)係(xi)是(shi)決(jue)定(ding)深(shen)台(tai)麵(mian)刻(ke)蝕(shi)效(xiao)果(guo)好(hao)壞(huai)的(de)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)。隨(sui)著(zhe)刻(ke)蝕(shi)的(de)進(jin)行(xing)

，台(tai)麵(mian)深(shen)度(du)增(zeng)大(da)，揮(hui)發(fa)性(xing)生(sheng)成(cheng)物(wu)的(de)排(pai)出(chu)速(su)率(lv)受(shou)到(dao)影(ying)響(xiang)。若(ruo)排(pai)出(chu)速(su)率(lv)過(guo)慢(man)
，生(sheng)成(cheng)物(wu)就(jiu)會(hui)在(zai)台(tai)麵(mian)底(di)部(bu)積(ji)聚(ju)成(cheng)固(gu)態(tai)聚(ju)合(he)物(wu)。這(zhe)將(jiang)影(ying)響(xiang)深(shen)微(wei)台(tai)麵(mian)的(de)形(xing)貌(mao)及(ji)深(shen)度(du)均(jun)勻(yun)性(xing)。同(tong)時(shi)，刻(ke)蝕(shi)工(gong)藝(yi)的(de)橫(heng)向(xiang)刻(ke)蝕(shi)還(hai)會(hui)對(dui)台(tai)麵(mian)陡(dou)度(du)造(zao)成(cheng)重(zhong)要(yao)影(ying)響(xiang)。若(ruo)陡(dou)度(du)過(guo)小(xiao)
，則(ze)台(tai)麵(mian)底(di)部(bu)孔(kong)的(de)尺(chi)寸(cun)過(guo)小(xiao)，直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)注(zhu)入(ru)區(qu)以(yi)及(ji)接(jie)觸(chu)孔(kong)的(de)實(shi)際(ji)尺(chi)寸(cun)。在(zai)後(hou)續(xu)工(gong)藝(yi)完(wan)成(cheng)後(hou)，有(you)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)盲(mang)元(yuan)產(chan)生(sheng)。通(tong)過(guo)調(tiao)節(jie)刻(ke)蝕(shi)工(gong)作(zuo)壓(ya)力(li)和(he)氣(qi)體(ti)配(pei)比(bi)來(lai)降(jiang)低(di)微(wei)負(fu)載(zai)效(xiao)應(ying)，可(ke)以(yi)提(ti)升(sheng)刻(ke)蝕(shi)均(jun)勻(yun)性(xing)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)在(zai)刻(ke)蝕(shi)形(xing)貌(mao)和(he)台(tai)麵(mian)陡(dou)度(du)方(fang)麵(mian)達(da)到(dao)平(ping)衡(heng)。

 

圖4 芯片表麵的SEM照片

 

zaikeshicebisunshangfangmian，caiyongganfahunhekeshijishubingtongguofenshiduantiaozhengkeshigongyicanshulaijiayikongzhi。zaikeshigongyimoduancaiyongdikeshipianya，yijiangdikeshiguochengduishentaimiancebijidimiandesunshang。tongguogongyiyouhuaheyanzheng，huodelelianghaodekeshixiaoguo（見圖4）。

 

2.3.2 側壁鈍化工藝優化

 

器件鈍化工藝采用CdTe和ZnS複(fu)合(he)膜(mo)層(ceng)。它(ta)的(de)難(nan)點(dian)在(zai)於(yu)
，與(yu)主(zhu)流(liu)的(de)平(ping)麵(mian)型(xing)碲(di)鎘(ge)汞(gong)器(qi)件(jian)不(bu)同(tong)，雙(shuang)色(se)器(qi)件(jian)的(de)鈍(dun)化(hua)還(hai)包(bao)含(han)深(shen)台(tai)麵(mian)的(de)側(ce)壁(bi)鈍(dun)化(hua)
，即(ji)通(tong)過(guo)對(dui)濺(jian)射(she)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)和(he)優(you)化(hua)
，實(shi)現(xian)器(qi)件(jian)鈍(dun)化(hua)和(he)台(tai)麵(mian)覆(fu)蓋(gai)的(de)雙(shuang)重(zhong)效(xiao)果(guo)。利(li)用(yong)聚(ju)焦(jiao)離(li)子(zi)束(shu)掃(sao)描(miao)電(dian)子(zi)顯(xian)微(wei)鏡(jing)（Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy
，FIB-SEM）觀察了幹法刻蝕後的深台麵底部形貌和側壁鈍化效果。從圖5（a）中可以看出，用高密度等離子體幹法刻蝕工藝製備的深台麵底部平滑
，沒有聚合物及生成物產生，為製備性能良好的短波p-n結奠定了重要基礎
；從圖5（b）中可以看出
，使用多腔室磁控濺射係統在表麵上生長的ZnS/CdTe複合膜層可將側壁完全覆蓋，這對抑製p-n結漏電流起到了重要作用。

 

 

圖5 芯片側壁鈍化後的SEM照片

 

2.4 芯片優化結果分析

 

利用半導體參數分析儀對芯片的Ｉ-Ｖ特性進行測試。將芯片放置在液氮環境中
，然後從製備的麵陣芯片邊緣隨機選取測試管芯。如圖6所示，中短波的Ｉ-Ｖ特性與矽基單色器件基本一致

，說明芯片p-n結表現出了較高的Ｉ-Ｖ性能，並且具備較好的品質因子。

 

圖6（a）中波p-n結的Ｉ-Ｖ性能測試結果
；（b）短波p-n結的Ｉ-Ｖ性能測試結果

 

2.5 混成芯片製備

 

320 × 256短/中波雙色芯片需與讀出電路通過倒裝互連來完成製備。圖7為In柱生長後讀出電路的SEM照片。碲鎘汞器件與讀出電路通過倒裝互連進行電連接，經背增透後形成碲鎘汞雙色混成芯片。

 

圖7 In柱生長後讀出電路的SEM照片

 

3 組件性能表征

 

320 × 256短/中波雙色芯片通過倒裝互連與讀出電路耦合，然後經退火回流工藝處理
，並被裝入到真空杜瓦中，從而形成短/中波雙色組件。在液氮溫度下
，使用PI紅外焦平麵測試係統對該組件進行了測試。結果表明
，它在中波波段的盲元率
、峰值探測率和響應率不均勻性分別為1.47%、2.13 × 1011 cm·Hz1/2/W和4.22%，在短波波段的盲元率、峰值探測率和響應率不均勻性分別為0.88%
、2.23 × 1012 cm·Hz1/2/W和3.85%。圖8所示為該組件的成像結果。可以看出，中國電科11所目前研製的短/中波雙色組件性能良好
，基本可達到實用化要求；後續將根據用戶的具體需求
，有針對性地對盲元率（連續盲元）和噪聲等效溫差（中波）等指標進行優化。

 

圖8 短/中波雙色組件的成像圖

 

4 結論

 

在像元中心距為50 μm的128 × 128短/中波雙色組件的基礎上
，通過對材料及芯片製備工藝進行優化，獲得了缺陷密度更低的高質量短/中波雙色碲鎘汞薄膜材料以及像元中心距更小（30 μm）、性能更高的320 × 256短/中波雙色碲鎘汞芯片。測試及成像結果表明
，320 × 256短/中波雙色製冷組件的性能基本可達到實用化要求
，且兩個波段成像清晰。後續研究正在進行中，主要集中在更大麵陣

、更高信噪比、更低盲元率（中心區域無連續盲元）三個方向上
，並將在以後的論文中介紹詳細的研製進展。