平面PN結(jié)InSb紅外焦平面探測(cè)器的研究

李忠賀,李海燕,杜紅燕,亢 喆,邱國(guó)臣

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

·紅外材料與器件·

平面PN結(jié)InSb紅外焦平面探測(cè)器的研究

李忠賀,李海燕,杜紅燕,亢 喆,邱國(guó)臣

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

研究了基于Be離子注入技術(shù)的平面型和Cd擴(kuò)散技術(shù)的臺(tái)面型銻化銦紅外焦平面陣列(IRFPA)探測(cè)器芯片工藝流程。并進(jìn)行了芯片I-V、成像結(jié)果等對(duì)比測(cè)試,Be離子注入平面型器件和擴(kuò)散臺(tái)面型芯片的性能水平相當(dāng),具備一定的工程應(yīng)用水平。

銻化銦,離子注入,紅外焦平面陣列探測(cè)器,平面結(jié)

1 引 言

InSb焦平面紅外探測(cè)器技術(shù)在近20年以來(lái)取得了飛速發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)入了成熟應(yīng)用期,目前正向著高分辨率、小尺寸、數(shù)字化等方向發(fā)展[1-4]。在器件結(jié)構(gòu)上通常采用臺(tái)面型和平面型兩種方式,臺(tái)面型器件具有工藝簡(jiǎn)單、串音小等優(yōu)點(diǎn),但在膜層的臺(tái)階覆蓋上存在厚度不均等問(wèn)題,在高分辨率、小尺寸焦平面器件臺(tái)面刻蝕上還存在線寬限制等問(wèn)題,而平面型器件可以有效避免臺(tái)面腐蝕制備中側(cè)向鉆蝕對(duì)光敏面均勻性的影響,降低膜層對(duì)臺(tái)階覆蓋特性的要求。在成結(jié)工藝上主要有熱擴(kuò)散工藝和離子注入工藝,熱擴(kuò)散具有工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn),但在雜質(zhì)濃度、分布等參數(shù)精確控制上有先天不足,已經(jīng)不能滿足大規(guī)模焦平面陣列的技術(shù)要求,取而代之的則為參數(shù)控制更為精確的離子注入技術(shù),離子注入技術(shù)可在較低溫度下對(duì)InSb進(jìn)行摻雜,并能精確控制摻入雜質(zhì)的濃度分布和注入深度,從而在較大面積上獲得淺而均勻的摻雜層,形成較理想的突變結(jié)。因此更適宜制作高密度的平面結(jié)陣列,提高光敏芯片的占空比。但離子注入會(huì)引入晶格損傷,需要增加退火工藝進(jìn)行損傷消除。所以,基于熱擴(kuò)散成結(jié)的臺(tái)面型器件僅適合在單元、小規(guī)格焦平面芯片上使用,而在大規(guī)格、小尺寸焦平面芯片的制備上需要采用基于離子注入成結(jié)的平面型器件[5-9]。如以色列SCD公司研發(fā)的1920×1536規(guī)格10 μm中心間距的InSb焦平面探測(cè)器,就是采用了離子注入技術(shù)的平面型器件[4]。而國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究并不成熟,因此開(kāi)發(fā)離子注入成結(jié)的平面型器件對(duì)InSb焦平面探測(cè)器的發(fā)展具有重要意義。

本文介紹了基于Be離子注入技術(shù)的平面型InSb焦平面器件的制備,進(jìn)行了I-V、組件性能、圖像演示等方面的測(cè)試,并與目前采用的Cd擴(kuò)散臺(tái)面型器件工藝進(jìn)行了對(duì)比。

2 器件制備

2.1 器件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)用InSb芯片采用128×128規(guī)格,中心距50 μm。分別采用Be注入平面結(jié)和Cd擴(kuò)散臺(tái)面結(jié)形式,生長(zhǎng)銦柱后與硅讀出電路經(jīng)倒裝互聯(lián)后形成混成式焦平面陣列。

其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 混成式焦平面陣列結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 制備過(guò)程

2.2.1 離子注入平面型器件工藝

所用InSb晶片為N型<111>晶向,77 K載流子濃度為(4～8)×1014/cm3、遷移率大于3×105cm2/V.s、位錯(cuò)密度<100個(gè)/cm2。

晶片經(jīng)磨拋、清洗、表面化學(xué)拋光后生長(zhǎng)SiO2保護(hù)層。光刻6 μm厚光刻膠掩膜,堅(jiān)膜處理后進(jìn)行離子注入,注入元素為Be、注入能量為100 keV,劑量為2×1014/cm2,樣品溫度為室溫、樣品傾斜垂直方向7°以避免溝道效應(yīng)。去除掩膜、清洗后進(jìn)行退火,腐蝕去除SiO2保護(hù)層,經(jīng)清洗后進(jìn)行鈍化,光刻、腐蝕出電極孔并濺射金屬電極,生長(zhǎng)銦柱后與硅讀出電路倒裝互聯(lián),通過(guò)背減薄后制作增透膜,經(jīng)裝配封裝后進(jìn)行組件測(cè)試。器件主要工藝過(guò)程示意如圖2所示。

圖2 平面器件主要工藝過(guò)程

2.2.2 熱擴(kuò)散臺(tái)面型器件工藝過(guò)程

所用材料參數(shù)與注入平面型器件相同。

器件工藝采用目前應(yīng)用的工藝流程,晶片經(jīng)磨拋、清洗、表面化學(xué)拋光后進(jìn)行閉管Cd擴(kuò)散,經(jīng)減薄、光刻、臺(tái)面腐蝕、鈍化、金屬化和銦柱生長(zhǎng)后與硅電路倒裝互聯(lián)。通過(guò)背減薄后制作增透膜,經(jīng)裝配封裝后進(jìn)行組件測(cè)試。主要工藝過(guò)程示意如圖3所示。

圖3 臺(tái)面器件主要工藝過(guò)程

3 結(jié)果和討論

3.1 芯片I-V測(cè)試

在液氮溫度下通過(guò)HP4155半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)兩類(lèi)芯片進(jìn)行了I-V測(cè)試,典型曲線如圖4所示,測(cè)試溫度77 K,三角形為注入平面型器件I-V曲線,圓形為擴(kuò)散臺(tái)面型I-V曲線,二者的零偏電流分別為-14.3 nA和-12.1 nA,-1 V偏置情況下的電流分別為-21.2 nA和-22.4 nA,開(kāi)路電壓分別為90 mV和95 mV,可以看出,注入平面型器件的測(cè)試結(jié)果可以達(dá)到目前應(yīng)用的擴(kuò)散臺(tái)面型器件I-V測(cè)試結(jié)果。

圖4 平面型和臺(tái)面型器件I-V測(cè)試結(jié)果

3.2 組件測(cè)試

將芯片與硅讀出電路倒裝互聯(lián),背減薄并鍍制增透膜后裝入杜瓦進(jìn)行圖像測(cè)試,結(jié)果如圖5所示,其中圖5(a)為擴(kuò)散成結(jié)臺(tái)面型器件典型測(cè)試結(jié)果,圖5(b)為注入成結(jié)平面型器件典型測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鰞煞N類(lèi)型的芯片組件測(cè)試圖像相近,僅在盲元、劃痕等方面存在差異。

主要性能指標(biāo)如表1所示。

圖5 組件圖像測(cè)試結(jié)果

表1 器件主要性能指標(biāo)

從表1中可以看出,注入平面型組件的性能指標(biāo)與擴(kuò)散臺(tái)面型指標(biāo)相當(dāng),可以滿足實(shí)際工程應(yīng)用的主要性能指標(biāo)要求。

3.3 成像演示

使用注入平面型焦平面組件分別對(duì)測(cè)試杜瓦、手及五分硬幣進(jìn)行了成像演示,結(jié)果如圖6所示,可以看出基于離子注入的平面型焦平面組件已具有良好的成像效果、圖像清晰可辨識(shí)。

圖6 圖像采集

4 結(jié) 論

采用Be離子注入成結(jié)技術(shù),制備了平面型焦平面陣列,測(cè)試了器件的I-V特性,和互聯(lián)封裝后的組件性能,并進(jìn)行了成像演示,結(jié)果表明Be離子注入能量100 keV,劑量為2×1014/cm2,經(jīng)過(guò)器件工藝后制備的焦平面器件平均峰值響應(yīng)率達(dá)到2.30×1011cmHz1/2/W,響應(yīng)率達(dá)到1.03×109V/W,響應(yīng)率不均勻性8.24%,盲元率0.18%,具有良好的成像效果,圖像清晰,與目前工程應(yīng)用的Cd擴(kuò)散臺(tái)面型焦平面器件性能水平相當(dāng),為今后高密度、高性能焦平面芯片的研制奠定了基礎(chǔ)。其采用的主要工藝步驟,除離子注入和退火工藝外,與現(xiàn)有工藝設(shè)備、流程相兼容,可以順利的開(kāi)展大規(guī)格焦平面探測(cè)器的研制。

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Study of InSb IRFPA with planar PN junctions

LI Zhong-he,LI Hai-yan,DU Hong-yan,KANG Zhe,QIU Guo-chen

(North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China)

Technological processes of InSb infrared focal plane arrays (IRFPA)detector chips with planar PN junctions based on Be ion implantation and mesa PN junctions based on Cd diffusion were studied in this paper.Comparison tests were carried out forI-Vcurve and imaging quality of two processes.Experimental results show that chip performances with planar PN junctions based on Be ion implantation are comparable with that with mesa PN junctions based on Cd diffusion,which provide a reference for engineering application.

InSb;ion implantation;IRFPA detector;planar PN junction

李忠賀(1981-),男,工程師,主要從事光電探測(cè)器的研究和生產(chǎn)。E-mail:zhli1981@163.com

2014-12-09;

2015-02-02

1001-5078(2015)07-0814-03

TN213

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.017