短/中波雙色碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器研究

王經(jīng)緯，晉舜國(guó)，陳慧卿，王 亮，周立慶

（華北光電技術(shù)研究所，北京100015）

1 引 言

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外隱身技術(shù)水平不斷提高，為了應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的背景、應(yīng)用環(huán)境，提高識(shí)別準(zhǔn)確率，市場(chǎng)對(duì)于可以實(shí)現(xiàn)多波段對(duì)比進(jìn)而更為有效的提取目標(biāo)信息的雙、多色紅外焦平面探測(cè)器組件有著迫切的需求。短/中波雙色焦平面紅外探測(cè)器可以應(yīng)用于導(dǎo)彈預(yù)警、氣像、資源遙感等衛(wèi)星，機(jī)載前視紅外和偵察系統(tǒng)，武裝直升機(jī)和艦載機(jī)目標(biāo)指示系統(tǒng)，中、低空地空導(dǎo)彈的光電火控系統(tǒng)，精確制導(dǎo)武器的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)引頭，水面艦船的預(yù)警、火控和近程反導(dǎo)系統(tǒng)，雙波段熱像儀等等，市場(chǎng)前景十分廣闊。

本文報(bào)道了華北光電技術(shù)研究所在碲鎘汞短/中波雙色探測(cè)器組件制備及表征方面的研究進(jìn)展：通過(guò)分子束處延技術(shù)制備出了高質(zhì)量碲鎘汞短/中波雙色材料；采用半平面雙注入結(jié)構(gòu)，通過(guò)光刻、刻蝕、電極生長(zhǎng)等步驟制備出了短/中波雙色面陣芯片，芯片的I-V性能良好；與讀出電路互聯(lián)后，封裝到真空杜瓦中，形成了短/中波雙色器件；在80 K的工作溫度下，對(duì)器件進(jìn)行了光電性能表征并進(jìn)行了成像，成像效果良好。

2 材料生長(zhǎng)及器件制備

短/中波雙色材料制備采用芬蘭DCA P600分子束外延系統(tǒng)，系統(tǒng)配有碲化鎘源、碲源和閥控汞源。具體步驟為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、中波碲鎘汞吸收層及碲化鎘鈍化層。芯片采用半平面雙注入結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，版圖如圖2所示。具體工藝過(guò)程為在材料表面分別進(jìn)行硫化鋅鈍化、退火、光刻、注入、刻蝕、電極生長(zhǎng)等工藝，完成短/中波雙色芯片的制備，再經(jīng)過(guò)和硅讀出電路的倒裝互聯(lián)后，封裝到真空杜瓦中，形成最終完整組件。

圖1 半平面雙注入結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic picture of simi-planar structure

圖2 芯片版圖示意圖Fig.2 Schematic picture of SW/MW dual-band device layout

材料質(zhì)量通過(guò)光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）等方法進(jìn)行表征；芯片通過(guò) I-V測(cè)試、SEM進(jìn)行表征；組件測(cè)試在80K溫度下進(jìn)行，主要進(jìn)行探測(cè)率、盲元率、非均勻性等測(cè)試，最終對(duì)雙色組件進(jìn)行了成像演示。

3 材料、芯片及組件性能表征

3.1 材料性能表征

3.1.1 材料表面

在前期的碲鎘汞單色材料研究過(guò)程中華北光電技術(shù)研究所獲得了高質(zhì)量的單色碲鎘汞材料，表面缺陷密度控制在200～300個(gè)/cm-2以內(nèi)。

對(duì)于雙色材料的生長(zhǎng)，難點(diǎn)主要在以下兩個(gè)方面：①各個(gè)不同組分碲鎘汞層之間生長(zhǎng)條件相差較大，尤其在短波碲鎘汞吸收層到高組分碲鎘汞阻擋層切換的過(guò)程中，十幾度的溫度調(diào)整導(dǎo)致材料表面溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，影響材料晶體質(zhì)量及表面缺陷密度［1-7］；②不同組分碲鎘汞生長(zhǎng)需要不同的CdTe/Te束流比，在束流切換過(guò)程中會(huì)對(duì)襯底表面的溫度穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的沖擊，從而降低材料晶體質(zhì)量、增加表面缺陷密度［1-8］。在材料的工藝優(yōu)化過(guò)程中，通過(guò)溫度補(bǔ)償、BandiT在線監(jiān)測(cè)等手段，提高了材料的表面及晶體質(zhì)量［1，7］，雙色短中波材料的表面宏觀缺陷密度目前已經(jīng)降到500個(gè)/cm-2以內(nèi)，如圖3所示。

圖3 短中波雙色碲鎘汞材料表面顯微鏡照片（×200）Fig.3 Microscope picture of SW/MW dual-band MCT material

3.1.2 晶體質(zhì)量表征

短/中波雙色碲鎘汞材料的晶體質(zhì)量通過(guò)XRD進(jìn)行表征。通過(guò)生長(zhǎng)工藝的優(yōu)化，X射線雙晶衍射半峰寬（FWHM）在吸收層及阻擋層合計(jì)10～12μm厚度下可以穩(wěn)定的控制在100arcsec以下，且在材料全表面分布均勻，表明材料的晶體質(zhì)量及均勻性良好。

3.1.3 SEM截面測(cè)試

為了更直觀地觀察Si基雙色HgCdTe材料結(jié)構(gòu)，使用聚焦離子束（FIB）刻蝕碲鎘汞材料，獲得材料的截面信息，并使用SEM觀察材料截面，如圖4所示：短/中波雙色碲鎘汞材料短波層4.29μm，阻擋層1.15μm，中波層4.36μm，與材料的設(shè)計(jì)厚度4.5μm、1.2μm、4.5μm一致，體現(xiàn)出分子束外延對(duì)于材料工藝的良好控制。

3.1.4 傅里葉紅外光譜測(cè)試

碲鎘汞材料的組分測(cè)試通常使用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。FTIR在疊層多波段碲鎘汞材料測(cè)試中吸收邊信號(hào)由相對(duì)低組分層即中波波段決定，而短波層、高組分阻擋層的組分和厚度及中波層的厚度需通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果曲線的擬合獲得。如圖5所示為測(cè)試結(jié)果并通過(guò)自主編程軟件進(jìn)行了擬合，三層的厚度分別為4.35μm、1.23μm、4.40μm，三層的組分分別為0.318、0.485、0.399。 FTIR與 SEM的測(cè)試結(jié)果一致，同時(shí)可以看出材料的組分和厚度得到準(zhǔn)確的控制。

圖4 雙色碲鎘汞材料結(jié)構(gòu)SEM剖面圖Fig.4 SEM profile of dual-band material

圖5 傅里葉變換紅外光譜測(cè)試Fig.5 Result of FTIR measurement

3.2 芯片性能表征

芯片采用半平面雙注入結(jié)構(gòu)，采用高密度等離子體干法刻蝕工藝制備短波臺(tái)面，使用多腔室磁控濺射系統(tǒng)在表面生長(zhǎng)ZnS/CdTe復(fù)合膜層進(jìn)行鈍化處理，然后通過(guò)B離子注入同時(shí)對(duì)中短波結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜形成p-n結(jié)，使用Cr/Au/Pt電極體系完成芯片電學(xué)性能引出。

3.2.1 芯片I-V性能測(cè)試

使用半導(dǎo)體參數(shù)分析儀對(duì)芯片的I-V特性進(jìn)行測(cè)試，芯片放置于液氮環(huán)境中，測(cè)試管芯從制備的面陣芯片邊緣隨機(jī)選取，測(cè)試結(jié)果如圖6所示，其中，中波p-n結(jié)零偏阻抗為0.72 MΩ，短波p-n結(jié)零偏阻抗為2.36 GΩ，這說(shuō)明芯片p-n結(jié)表現(xiàn)出較高的I-V性能，具備較好品質(zhì)因子。

圖6 p-n結(jié)I-V性能測(cè)試結(jié)果Fig.6 I-V curve of p-n junction

3.2.2 芯片管芯FIB測(cè)試

通過(guò)FIB觀察了干法刻蝕后的深臺(tái)面底部形貌，從圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)，高密度等離子體干法刻蝕工藝制備的深臺(tái)面底部平滑，無(wú)聚合物及生成物產(chǎn)生，為制備性能良好的短波p-n結(jié)奠定重要基礎(chǔ)；從圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，使用多腔室磁控濺射系統(tǒng)在表面生長(zhǎng)的ZnS/CdTe復(fù)合膜層可以將側(cè)壁完全覆蓋，對(duì)抑制p-n結(jié)漏電流起到重要作用。

3.3 組件性能表征

短中波雙色芯片通過(guò)倒裝互聯(lián)與讀出電路耦合、退火回流工藝處理后，裝入到真空杜瓦中，形成短中波雙色組件。在液氮溫度下，使用PI紅外焦平面測(cè)試系統(tǒng)對(duì)組件進(jìn)行了測(cè)試。在中波20～35 K、3 ms積分時(shí)間，短波20～50 K、6 ms積分時(shí)間的測(cè)試條件下，盲元率、峰值探測(cè)率、響應(yīng)率不均勻性為別為中波波段：1.84%、1.03×1011cm·Hz1/2/W、2.75%，短波波段：3.28%、8.23×1011cm·Hz1/2/W、7.98%。光譜測(cè)試結(jié)果如圖8所示，中波、短波截止波長(zhǎng)分別為4.75μm、3.05μm。從測(cè)試結(jié)果可以看出，中波波段性能相對(duì)較好，通過(guò)優(yōu)化芯片版圖設(shè)計(jì)提高占空比、優(yōu)化工藝細(xì)節(jié)降低盲元率等針對(duì)性的優(yōu)化后即可達(dá)到實(shí)用化要求；短波波段在盲元率、響應(yīng)率不均勻性等方面存在較大提升空間，初步分析與光刻、刻蝕的質(zhì)量及均勻性相關(guān)，后續(xù)需要持續(xù)的優(yōu)化。

圖7 器件SEM測(cè)試結(jié)果Fig.7 SEM Result of Device

圖8 短中波雙色組件光譜相應(yīng)Fig.8 IR Response of SW-MW dual-band device

4 結(jié) 論

在單色材料基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)分子束外延工藝的優(yōu)化，獲得了表面光亮平整的高質(zhì)量短/中波雙色碲鎘汞薄膜材料，材料表面缺陷密度控制在500個(gè)/cm-2以內(nèi)；通過(guò)掃描電子顯微鏡可以看出各層之間界面陡峭；FTIR測(cè)試顯示出獲得材料組分厚度均勻且與設(shè)計(jì)值相符；XRD測(cè)試顯示材料晶體質(zhì)量良好；基于此材料制備出了短/中波碲鎘汞器件，I-V測(cè)試性能良好；將雙色芯片封裝后進(jìn)行了組件測(cè)試，測(cè)試性能良好。

致 謝：對(duì)折偉林、田璐、許秀娟等同志所做的相關(guān)工作深表感謝！