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/zhongboshuangsedigegongcailiaogongyizhong，zuoweishouxianshengchangdexishouceng，duanbocengdecailiaozhiliangzhijieyingxiangshuangsecailiaodezhiliang。youqishiyouduanbocengshengchangyinrudequexianzaijingguozudangcenghezhongboxishoucengfangdahou，jiyizaishuangsedigegongcailiaobiaomianshangyinruzhijingdayu10 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4中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)清(qing)楚(chu)地(di)表(biao)明(ming)了(le)各(ge)因(yin)素(su)對(dui)材(cai)料(liao)缺(que)陷(xian)的(de)影(ying)響(xiang)。生(sheng)長(chang)溫(wen)度(du)所(suo)對(dui)應(ying)的(de)極(ji)差(cha)值(zhi)最(zui)大(da)，說(shuo)明(ming)在(zai)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)的(de)分(fen)子(zi)束(shu)外(wai)延(yan)過(guo)程(cheng)中(zhong)，生(sheng)長(chang)溫(wen)度(du)對(dui)試(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)的(de)貢(gong)獻(xian)最(zui)大(da)，直(zhi)接(jie)決(jue)定(ding)了(le)材(cai)料(liao)缺(que)陷(xian)密(mi)度(du)；qicishishengchangsulv，tazaibencishiyanzhongdezuoyongsuibujishengchangwendu，danzaicailiaoquexianmidufangmiandeyingxianggengdaxie，yincikepanduanshengchangsulvduicailiaoquexianmidudebianhuaqidaolezhiguanzhongyaodezuoyong。sangeyinsuzhong，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Hg流(liu)量(liang)對(dui)材(cai)料(liao)缺(que)陷(xian)的(de)形(xing)成(cheng)有(you)一(yi)定(ding)的(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)是(shi)其(qi)影(ying)響(xiang)要(yao)小(xiao)於(yu)生(sheng)長(chang)溫(wen)度(du)和(he)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)。因(yin)此(ci)，在(zai)研(yan)究(jiu)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)生(sheng)長(chang)工(gong)藝(yi)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，主(zhu)要(yao)工(gong)作(zuo)應(ying)該(gai)放(fang)在(zai)生(sheng)長(chang)溫(wen)度(du)和(he)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)方(fang)麵(mian)，而(er)且(qie)尋(xun)找(zhao)和(he)應(ying)用(yong)合(he)適(shi)的(de)碲(di)鎘(ge)汞(gong)材(cai)料(liao)生(sheng)長(chang)溫(wen)度(du)及(ji)其(qi)相(xiang)應(ying)降(jiang)溫(wen)曲(qu)線(xian)的(de)生(sheng)長(chang)速(su)率(lv)是(shi)工(gong)藝(yi)優(you)化(hua)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)。

 

（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H2gongyideganfakeshigongyi。qizhong，juhewudeshengchengjipaichudedongtaiguanxishijuedingshentaimiankeshixiaoguohaohuaidezhongyaoyinsu。suizhekeshidejinxing，taimianshenduzengda，huifaxingshengchengwudepaichusulvshoudaoyingxiang。ruopaichusulvguoman
，shengchengwujiuhuizaitaimiandibujijuchenggutaijuhewu。zhejiangyingxiangshenweitaimiandexingmaojishendujunyunxing。tongshi，keshigongyidehengxiangkeshihaihuiduitaimiandouduzaochengzhongyaoyingxiang。ruodouduguoxiao，zetaimiandibukongdechicunguoxiao

，zhijieyingxiangdaozhuruquyijijiechukongdeshijichicun。zaihouxugongyiwanchenghou，youkenengdaozhimangyuanchansheng。tongguotiaojiekeshigongzuoyaliheqitipeibilaijiangdiweifuzaixiaoying，keyitishengkeshijunyunxing，tongshihaikezaikeshixingmaohetaimiandoudufangmiandadaopingheng。

 

圖4 芯片表麵的SEM照片

 

在(zai)刻(ke)蝕(shi)側(ce)壁(bi)損(sun)傷(shang)方(fang)麵(mian)，采(cai)用(yong)幹(gan)法(fa)混(hun)合(he)刻(ke)蝕(shi)技(ji)術(shu)並(bing)通(tong)過(guo)分(fen)時(shi)段(duan)調(tiao)整(zheng)刻(ke)蝕(shi)工(gong)藝(yi)參(can)數(shu)來(lai)加(jia)以(yi)控(kong)製(zhi)。在(zai)刻(ke)蝕(shi)工(gong)藝(yi)末(mo)端(duan)采(cai)用(yong)低(di)刻(ke)蝕(shi)偏(pian)壓(ya)
，以(yi)降(jiang)低(di)刻(ke)蝕(shi)過(guo)程(cheng)對(dui)深(shen)台(tai)麵(mian)側(ce)壁(bi)及(ji)底(di)麵(mian)的(de)損(sun)傷(shang)。通(tong)過(guo)工(gong)藝(yi)優(you)化(hua)和(he)驗(yan)證(zheng)，獲(huo)得(de)了(le)良(liang)好(hao)的(de)刻(ke)蝕(shi)效(xiao)果(guo)（見圖4）。

 

2.3.2 側壁鈍化工藝優化

 

器件鈍化工藝采用CdTe和ZnSfuhemoceng。tadenandianzaiyu，yuzhuliudepingmianxingdigegongqijianbutong
，shuangseqijiandedunhuahaibaohanshentaimiandecebidunhua，jitongguoduijianshegongyicanshujinxingtiaozhengheyouhua，shixianqijiandunhuahetaimianfugaideshuangzhongxiaoguo。liyongjujiaolizishusaomiaodianzixianweijing（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。