第三代紅外探測器發(fā)展的一個重要方向是高工作溫度探測器。對于碲鎘汞n-on-p探測器而言，n?-n?-p結(jié)構(gòu)以及良好的鈍化工藝能夠有效的抑制暗電流的產(chǎn)生，從而在高工作溫度條件下獲得較好的探測器性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點實驗室的科研團隊在《紅外與毫米波學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“通過成結(jié)模擬器研究n?-n?-p碲鎘汞高溫探測器”為主題的文章。該文章第一作者為林加木副研究員，通訊作者為林春研究員，主要從事碲鎘汞紅外焦平面的研究工作。

本文介紹了研究團隊在碲鎘汞n-on-p高工作溫度器件方面所做的工作，由碲鎘汞成結(jié)模擬器出發(fā)，模擬了n?-n?-p型高溫器件成結(jié)過程，獲得了制備參數(shù)和器件參數(shù)，結(jié)合使用抑制表面漏電的梯度鈍化工藝技術(shù)，獲得了高溫工作的中波320×256焦平面器件，并進行了一系列參數(shù)表征和成像演示。

碲鎘汞n-on-p高工作溫度器件的工藝仿真與器件仿真

對需要在更高溫度下工作的碲鎘汞紅外探測器而言，抑制暗電流是核心工作。本研究結(jié)合工藝仿真和器件仿真，對器件成結(jié)工藝和抑制表面漏電的鈍化工藝進行了研究。

n?-n?-p結(jié)構(gòu)成結(jié)的工藝仿真

碲鎘汞n-on-p器件要在更高的工作溫度下具有較好的性能，對n?區(qū)的厚度以及摻雜濃度的調(diào)制是一個關(guān)鍵的工藝步驟。在平面結(jié)工藝的基礎(chǔ)上，對離子注入后形成的pn結(jié)進行高溫退火，使得pn結(jié)深度得到推進，同時降低了n?區(qū)濃度，形成如圖1所示的n?-n?-p結(jié)構(gòu)。

在離子注入后的退火工藝過程中，受溫度的影響，被離子注入打出的Hg填隙原子向碲鎘汞內(nèi)部擴散，注入?yún)^(qū)附近區(qū)域內(nèi)作為受主的Hg空位被填充后，最終形成了由剩余施主摻雜的n?區(qū)。研究團隊開發(fā)了成結(jié)模擬器來專門研究不同退火溫度和退火時間下Hg填隙原子向內(nèi)部擴散的速度和深度，從而確定了滿足工藝要求的退火條件范圍。

圖1 n?-n?-p結(jié)構(gòu)示意圖

在該研究中，采用自行開發(fā)的成結(jié)模擬器首先進行成結(jié)模擬，隨后獲得具體的成結(jié)制備參數(shù)，從而加快了研究的效率。碲鎘汞材料成結(jié)與傳統(tǒng)硅材料不同，硼離子注入于碲鎘汞材料之后是非電活性的，它的作用在于撞出晶格中的汞原子，形成汞填隙，隨后在退火的過程中，汞填隙從損傷區(qū)內(nèi)溢出向體內(nèi)擴散，堙滅p型汞空位，顯現(xiàn)出剩余施主n?區(qū)，最終形成n?-n?-p結(jié)。

圖2為中波碲鎘汞相同時間下不同退火溫度的結(jié)深推進結(jié)果，圖中粉色虛線代表了剩余施主濃度，則當(dāng)汞空位濃度曲線與剩余施主濃度虛線相交時，則代表了結(jié)深的位置。從圖2中可以看出，退火溫度對結(jié)深推進的影響非常大，高退火溫度可以將結(jié)深推進至較深的距離，而較低的退火溫度則獲得較淺的結(jié)深推進距離。

圖2 不同溫度結(jié)深推進結(jié)果

暗電流仿真

通過成結(jié)模擬器獲得結(jié)區(qū)摻雜濃度分布之后，將其代入器件模擬軟件。根據(jù)擴散及漂移模型，建立電流連續(xù)性方程。由于高溫工作器件采用的是n?-n?-p結(jié)構(gòu)，因此主要考慮電子的作用。所獲得模擬的器件暗電流隨溫度變化的結(jié)果如圖3所示。

圖3 高溫結(jié)構(gòu)不同溫度暗電流與光電流模擬結(jié)果

抑制表面漏電的梯度鈍化表面能帶仿真

由于碲鎘汞材料是窄禁帶半導(dǎo)體，其表面電荷狀態(tài)極容易受到界面電荷的影響，從而形成載流子反型或積累的狀態(tài)，造成界面處pn結(jié)性能退化，形成表面漏電，其暗電流急劇增加。本研究制備的器件采用了界面梯度變化的鈍化工藝，用來抑制表面漏電，大幅度降低器件暗電流，從而進一步提高器件工作溫度。

高溫?zé)崽幚砜梢允沟肅dTe/HgCdTe之間發(fā)生組分互擴散，從而在碲鎘汞表面形成一定深度的組分互擴散區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)Cd組分從碲鎘汞體內(nèi)至表面逐漸增加。碲鎘汞內(nèi)部能帶由于組分發(fā)生變化從而形成了彎曲，其產(chǎn)生的內(nèi)建電場使得碲鎘汞表面的載流子向碲鎘汞內(nèi)部移動。

在平衡態(tài)時，碲鎘汞內(nèi)部載流子濃度大于表面附近的載流子濃度；同時得益于禁帶寬度在表面較寬，隧穿電流也得到了一定的抑制。因此，經(jīng)過CdTe/HgCdTe退火后制備出來的光敏元芯片，由于組分互擴散鈍化層的存在，表面漏電得到了極大的抑制，從而使得探測器暗電流中的漏電流成分得到了大幅的削弱。圖4為組分梯度緩變鈍化能帶結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果。

圖4 組分梯度緩變鈍化的能帶結(jié)構(gòu)

中波320×256碲鎘汞n-on-p高溫器件參數(shù)表征及成像演示

研究團隊基于液相外延（LPE）生長的中波碲鎘汞材料制備了能在更高溫度下工作的紅外焦平面器件。通過注入成結(jié)，注入后進行熱處理形成n?-n?-p結(jié)構(gòu)。鈍化層選用CdTe，生長鈍化層后，通過熱處理形成組分漸變的CdTe/HgCdTe 表面區(qū)域。后續(xù)進行ZnS生長，金屬化，制備碲鎘汞光敏芯片，再通過銦柱倒焊讀出電路，獲得了高溫工作的中波320×256焦平面探測器。將器件封裝至金屬杜瓦內(nèi)，耦合制冷機，制備成紅外焦平面制冷組件。杜瓦窗口為寶石窗口，所安裝的冷屏中心F數(shù)為4。

探測器芯片組分為0.307，陣列規(guī)模320×256，像元中心距30 μm。按照國標要求的條件和測試方法，對該器件進行了高工作溫度下的參數(shù)表征，并在此基礎(chǔ)上進行了成像演示。測試時黑體溫度分別為293 K和308 K，積分時間18 ms。

使用該探測器在不同工作溫度下進行了凝視成像演示，并對成像結(jié)果做了偽彩色處理，成像結(jié)果如圖5所示，可以看到在不同工作溫度下都表現(xiàn)出良好的成像效果，尤其在150 K下該探測器成像質(zhì)量較好，溫度差異清晰可辨。

圖5 320×256中波焦平面探測器在不同工作溫度下的偽彩色成像圖

結(jié)語

高工作溫度紅外探測器可以有效的減小紅外系統(tǒng)的尺寸、重量和成本，實現(xiàn)“SWaP3”。研究團隊基于工藝仿真和器件仿真，通過n?-n?-p型器件制備工藝和抑制表面漏電的鈍化工藝研制了能夠在更高溫度下工作的紅外焦平面探測器。與成結(jié)模擬器仿真結(jié)果高度吻合的器件測試結(jié)果表明，該器件可以在高工作溫度下正常工作，并擁有優(yōu)異的性能，其中暗電流和NETD在150 K工作溫度條件下均符合了理論仿真結(jié)果，同時在高工作溫度條件下中波紅外成像效果表現(xiàn)良好，能夠滿足小型化、輕重量、低功耗、高性能和低成本的應(yīng)用要求。

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DOI: 10.11972/j.issn.1001-9014.2024.01.004

審核編輯：劉清