用MCT材料和CdTe /ZnS雙層鈍化工藝制備碲鎘汞中波探測(cè)器的研究成果

摘要：采用CdTe/ZnS雙層鈍化工藝制備了640 × 512@ 15 μm碲鎘汞中波探測(cè)器。研究了退火溫度對(duì)CdTe/MCT界面及CdTe鈍化膜質(zhì)量的影響。經(jīng)測(cè)試表明：本公司制備的碲鎘汞HOT中波探測(cè)器可以在125 K穩(wěn)定工作，但與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比仍存在差距，需要在MCT材料改進(jìn)和器件加工工藝上繼續(xù)深入研究，才能提高探測(cè)器的工作溫度和穩(wěn)定性。

1引言

制冷紅外探測(cè)器性能優(yōu)異，有著廣泛的軍事和民用用途。但是由于芯片需要工作在80 K左右的低溫環(huán)境下，因此必須使用制冷機(jī)，這帶來的劣勢(shì)就是體積大、重量大、功耗高以及成本高。降低探測(cè)器重量、功耗、體積及成本是碲鎘汞紅外探測(cè)器發(fā)展趨勢(shì)，關(guān)鍵解決方案之一就是提高碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片的工作溫度。周連軍等對(duì)高溫碲鎘汞中波紅外探測(cè)器的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，主要介紹了法國(guó)sofradir公司、美國(guó)Teledyne公司、德國(guó)AIM公司、英國(guó)Selex公司、美國(guó)DRS公司等在碲鎘汞高溫中波探測(cè)器上的研究進(jìn)展，并報(bào)道了昆明物理研究所基于n-on-p（Hg空位）640 ×512@ 15 μm碲鎘汞中波探測(cè)器的HOT測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該探測(cè)器可在110 K工作，但與國(guó)外同類探測(cè)器相比仍然存在不小的差距。碲鎘汞紅外探測(cè)器高溫工作的主要問題在于隨著焦平面工作溫度的提高，使得與低頻噪聲相關(guān)的缺陷數(shù)量會(huì)增加，這個(gè)問題可以通過提高材料的質(zhì)量，并優(yōu)化碲鎘汞芯片加工工藝來解決，法國(guó)sofradir通過這種工藝改進(jìn)，提高n-on-p（Hg空位）SCORPIO 640 × 512@ 15 μm型中波紅外焦平面的工作溫度至130 K（λC = 5 μm，NETD≤22mK）。有研究表明：采用CdTe/ZnS雙層鈍化工藝能有效地降低碲鎘汞器件的表面漏電流，可提高芯片的工作性能。

本文通過液相外延生長(zhǎng)的高質(zhì)量碲鎘汞外延薄膜材料，并采用CdTe/ZnS雙層鈍化工藝進(jìn)行了碲鎘汞高溫中波紅外探測(cè)器的制備研究。

2試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用的MCT材料為在碲鋅鎘（CZT）襯底（Zn組分4% ，(111)B面）上經(jīng)富碲液相外延（LPE）生長(zhǎng)的中波MCT薄膜材料，MCT外延材料Cd組分x≈0. 3，液氮溫度下所對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)λC為4.8 μm。MCT材料經(jīng)富碲LPE生長(zhǎng)后進(jìn)行弱P 型退火熱處理，熱處理后測(cè)得液氮溫度下的空穴濃度為3 - 9 × 1015cm-3、空穴遷移率為450 - 520 cm2/（V·s），熱處理后的樣品使用Schaake腐蝕劑腐蝕后測(cè)得的位錯(cuò)密度＜3 × 104 cm-2。采用熱蒸發(fā)設(shè)備生長(zhǎng)3000A厚的CdTe鈍化膜，CdTe 鈍化后的MCT材料在氫氣氣氛的保護(hù)下退火熱處理。硼離子注入形成pn結(jié)后在電子束蒸發(fā)設(shè)備中生長(zhǎng)3000 A厚的ZnS鈍化膜。采用光刻、濕法刻蝕完成金屬化開口、金屬化沉積等一系列工藝制備了MCT光電二極管陣列，其中面陣規(guī)格640 × 512@ 15 μm。其中，金屬化開口采用全濕法刻蝕：ZnS鈍化層由濃鹽酸腐蝕開孔，CdTe腐蝕液由重鉻酸鉀、氫氟酸、硝酸、去離子水按照一定的比例配制而成。CdTe腐蝕液對(duì)ZnS鈍化層的腐蝕速率為50A/s左右，對(duì)CdTe鈍化膜的腐蝕速率為300 A/s左右，對(duì)MCT外延層的腐蝕速率為5 A/s左右，對(duì)CdTe鈍化膜腐蝕的選擇比較高，滿足濕法開孔的要求。P、N區(qū)電極分別采用Cr/Au、Sn/Au作為接觸金屬。

模塊經(jīng)劃切、In柱倒焊互連、CZT襯底完全去除以及芯片背面增透膜生長(zhǎng)后進(jìn)行面陣測(cè)試。使用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）對(duì)樣品退火前后的CdTe/MCT界面進(jìn)行表征。面陣測(cè)試采用紅外探測(cè)器專用測(cè)試系統(tǒng)。初測(cè)合格芯片與杜瓦耦合，經(jīng)高溫排氣后，配上本公司自研的RS046小型化斯特林制冷機(jī)，制備成F數(shù)為4的紅外探測(cè)器組件，進(jìn)行HOT測(cè)試。

3結(jié)果與討論

3.1退火溫度對(duì)CdTe/MCT界面及CdTe膜層質(zhì)量的影響

為了改善CdTe/MCT的界面狀態(tài)，增加CdTe/MCT界面的互擴(kuò)散，需對(duì)CdTe鈍化后的MCT材料在氫氣氣氛下進(jìn)行退火熱處理。熱處理前后CdTe鈍化膜及CdTe/MCT界面的變化情況如圖1所示。

圖1 CdTe/MCT界面在退火熱處理前后微觀結(jié)構(gòu)的變化圖

由圖1看出：退火熱處理之前，CdTe膜層中有柱狀結(jié)晶，晶粒間的晶界明顯，CdTe/MCT界面清晰，CdTe呈現(xiàn)出直接堆砌在MCT表面的狀態(tài)，表明CdTe/MCT界面結(jié)合不好。經(jīng)過120 ℃/24 h退火后，CdTe鈍化膜中柱狀晶粒尺寸和晶粒間間距都減少，CdTe/MCT界面不明顯，表明CdTe/MCT界面結(jié)合變好。經(jīng)過150 ℃/24 h退火后，CdTe鈍化膜中柱狀晶粒基本消失、晶粒間間間距減小到基本忽略不計(jì)，CdTe/MCT界面不明顯，表明經(jīng)150 ℃/24 h退火后，CdTe/MCT界面結(jié)合性能以及CdTe膜層質(zhì)量均變好；經(jīng)過200 ℃/8 h退火后，CdTe/MCT界面很難分清，說明CdTe/MCT間互擴(kuò)散嚴(yán)重，CdTe鈍化膜小晶粒界面消失，CdTe鈍化膜中出現(xiàn)了大小不一的空洞。李雄軍等在CdTe/ZnS復(fù)合鈍化層對(duì)長(zhǎng)波碲鎘汞器件性能的影響研究中提到：鈍化層及其與MCT界面存在空洞、雜質(zhì)、損傷及結(jié)構(gòu)無序等將導(dǎo)致產(chǎn)生界面固定電荷和界面態(tài)。因此，CdTe鈍化膜采用200 ℃/8 h退火將可能會(huì)影響CdTe鈍化膜的鈍化效果。故CdTe鈍化膜采用120 - 150 ℃退火24 h可以很好增加CdTe/MCT界面間的互擴(kuò)散，同時(shí)可改善CdTe鈍化膜質(zhì)量。退火溫度升高至200 ℃后，CdTe鈍化膜出現(xiàn)空洞，說明CdTe鈍化膜的沉積工藝需要改進(jìn)，以提高CdTe鈍化膜的膜層質(zhì)量。

3.2中波探測(cè)器組件的HOT測(cè)試分析

將初測(cè)合格的640 × 512@ 15 μm規(guī)格碲鎘汞中波芯片與杜瓦耦合，經(jīng)高溫排氣后，配上本公司自研的RS046小型化斯特林制冷機(jī)，制備成F數(shù)為4的中波紅外探測(cè)器組件，進(jìn)行HOT測(cè)試。組件F/#4；50%勢(shì)阱填充；背景環(huán)境溫度293K；盲元判定標(biāo)準(zhǔn)：Rv ± 30%，VT1± 30%，NETD＞50 mK。

圖2 室溫環(huán)境下中波探測(cè)器性能

組件測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)與圖2(b)可知：當(dāng)焦平面溫度從85K增大140 K的過程中（焦平面溫度每升高5 K測(cè)試一次），探測(cè)器信號(hào)Vs由0.43 V下降到0.38 V，信號(hào)下降11.63%，噪聲Vn由0.45 mV增大到0.47 mV，噪聲信號(hào)增大4.4%，噪聲信號(hào)變化很??；NETD由15.8 mK增大到18.2mK，NETD保持在20 mK以內(nèi)；有效像元率由99.94%下降到99.32%，有效像元率保持在99%以上。當(dāng)焦平面溫度從140 K繼續(xù)升高155 K時(shí)，探測(cè)器信號(hào)Vs由0.38V下降到0.36 V，噪聲Vn由0.47 mV增大到0.57 mV，NETD由18.2 mK增大到23.8 mK，有效像元率由99.32%下降到97.37%；與85K時(shí)的測(cè)試結(jié)果相比，探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)下降了16.3%，噪聲信號(hào)上升21.3%，NETD增加了30.77%，有效像元率下降了2.57%。這說明當(dāng)焦溫大于140 K時(shí)，隨著焦溫的升高，探測(cè)器的性能處于一個(gè)快速的下降過程中。由圖2(c)可以看出：當(dāng)焦平面溫度從85 K增大到125 K時(shí)，隨著焦平面溫度的升高，其響應(yīng)率盲元數(shù)、直流電平盲元數(shù)、NETD盲元數(shù)以及總盲元數(shù)Total 基本不隨焦平面溫度升高的變化。當(dāng)焦平面溫度從125 K增大到140 K時(shí)，NETD盲元數(shù)與總盲元數(shù)快速增大，而響應(yīng)率盲元數(shù)、直流電平盲元數(shù)隨焦平面溫度升高的變化不明顯，說明NETD盲元是造成器件盲元率隨焦平面溫度升高而上升的主要原因，這與芯片的噪聲增加是直接相關(guān)的，表明MCT外延材料的質(zhì)量和芯片的鈍化工藝有待進(jìn)一步的提高。當(dāng)焦溫大于140 K時(shí)，器件的響應(yīng)率盲元數(shù)、直流電平盲元數(shù)、NETD盲元數(shù)以及總盲元數(shù)均快速的上升，器件性能隨著焦平面溫度的升高而快速下降。由圖2及其分析結(jié)果可以看出：該型中波紅外探測(cè)器組件可以在小于等于125 K焦溫下穩(wěn)定工作，但MCT外延材料質(zhì)量以及器件表面的鈍化工藝尚有較大的改進(jìn)空間。

已有報(bào)道對(duì)MCT器件截止波長(zhǎng)隨焦平面溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖3所示。因此，在液氮溫度下測(cè)得的截止波長(zhǎng)λC為4.85 μm，當(dāng)焦平面溫度上升至125 K時(shí)，MCT器件的光譜響應(yīng)特性滿足中波響應(yīng)范圍。

圖3 中波碲鎘汞材料截止波長(zhǎng)與工作溫度關(guān)系

圖4 中波探測(cè)器在不同焦平面溫度下對(duì)室溫目標(biāo)進(jìn)行凝視成像

使用此中波探測(cè)器在不同焦溫下對(duì)室溫目標(biāo)的凝視成像圖如圖4所示。當(dāng)焦平面溫度繼續(xù)升高至160 K時(shí)，畫面上出現(xiàn)有無法校除的壞點(diǎn)。在測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)焦平面溫度繼續(xù)升高至185K時(shí)，探測(cè)器已基本無法成像。結(jié)合圖4的成像結(jié)果與圖2探測(cè)器HOT測(cè)試性能，說明該探測(cè)器組件可以在小于等于125 K焦溫穩(wěn)定工作。

3.3碲鎘汞高溫中波探測(cè)器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)比

本公司自研的n-on-p（Hg空位）640 × 512 @15 μm型碲鎘汞中波紅外焦平面探測(cè)器與法國(guó)sofradir公司2011年報(bào)道的n-on-p（Hg空位）SCORPIO 640 × 512@15 μm型中波紅外焦平面的測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。法國(guó)sofradir公司2011年報(bào)道了其通過改進(jìn)工藝后的n-on-p（Hg空位）SCORPIO640 × 512@ 15 μm型中波紅外焦平面的測(cè)試結(jié)果，其工作溫度達(dá)到130 K（λC = 5 μm，NETD≤22 mK），2016年報(bào)道其p-on-n工藝的640× 512@ 15 μm型碲鎘汞高溫中波探測(cè)器，工作溫度高達(dá)160 K。德國(guó)AIM公司在碲鎘汞高溫中波紅外探測(cè)器上也取得了豐碩的研究成果。德國(guó)AIM公司2014年報(bào)道的non-p（Au摻雜）640 × 512@ 15 μm型中波紅外焦平面探測(cè)器的工作溫度可達(dá)160 K；2017年報(bào)道其p-on-n工藝的640× 512@ 20 μm高溫中波（λC =5. 25 μm）測(cè)試結(jié)果，顯示其工作溫度可達(dá)到170 K。截至目前，國(guó)內(nèi)未見有工作溫度超過130 K的碲鎘汞高溫中波紅外探測(cè)器的相關(guān)報(bào)道，國(guó)內(nèi)在碲鎘汞高溫中波紅外探測(cè)器的研究上與國(guó)外的n-on-p（Au摻雜）或p-on-n等先進(jìn)的高溫中波紅外焦平面探測(cè)器制備技術(shù)相比尚存在很大的差距。

4結(jié)論

本文介紹了本公司采用MCT材料和CdTe /ZnS雙層鈍化工藝制備640 × 512@ 15 μm碲鎘汞中波探測(cè)器的研究成果。經(jīng)HOT測(cè)試表明：本公司制備的HOT中波探測(cè)器可以在125 K穩(wěn)定工作，但與國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)相比仍存在差距，需要在MCT材料改進(jìn)和器件加工工藝上繼續(xù)深入研究，才能提高探測(cè)器的工作溫度和穩(wěn)定性。