CdS紫外探測(cè)器芯片的制備研究

何雯瑾，信思樹，鐘 科，柴圓媛，黎秉哲，楊文運(yùn)，太云見，袁 俊

〈材料與器件〉

CdS紫外探測(cè)器芯片的制備研究

何雯瑾，信思樹，鐘 科，柴圓媛，黎秉哲，楊文運(yùn)，太云見，袁 俊

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

針對(duì)紫外探測(cè)器在紫外-紅外雙色探測(cè)器中的工程化應(yīng)用需求，開展了Pt/CdS肖特基紫外探測(cè)器研究，通過(guò)對(duì)CdS晶片表面處理工藝、Pt電極制備及紫外芯片退火等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，并對(duì)Pt/CdS肖特基紫外探測(cè)器性能進(jìn)行測(cè)試分析。測(cè)試結(jié)果表明：Pt/CdS肖特基紫外探測(cè)器在0.3～0.5mm下響應(yīng)率大于0.2A/W，對(duì)3～5mm紅外波長(zhǎng)的平均透過(guò)率大于80%，很好地滿足了紫外-紅外雙色探測(cè)器中的工程化應(yīng)用要求。

Pt/CdS；肖特基；紫外探測(cè)器；-特性

0 引言

隨著紅外技術(shù)的日趨成熟，紫外探測(cè)技術(shù)在軍事、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等方面上得到廣泛應(yīng)用[1-3]。單一紅外制導(dǎo)將不能滿足當(dāng)前的主流制導(dǎo)。雙色制導(dǎo)將越來(lái)越受關(guān)注，這其中包括紅外-紫外雙色制導(dǎo)方式[4-7]。紅外-紫外雙色導(dǎo)引頭具有高效搜索、跟蹤能力和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)文獻(xiàn)[8-9]報(bào)道，早在20世紀(jì)90年代，紫外-紅外雙色探測(cè)的制導(dǎo)技術(shù)就成功應(yīng)用于美國(guó)的“毒剌”導(dǎo)彈，其中的紅外探測(cè)器采用了InSb探測(cè)器，紫外探測(cè)器采用了CdS探測(cè)器。

CdS紫外探測(cè)器由于對(duì)紅外波段具有很好的透過(guò)性，成為紫外-紅外雙色探測(cè)器研制的最佳選擇。國(guó)外成功工程化應(yīng)用的先例及國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用的需求，國(guó)內(nèi)的部分學(xué)者也開展了CdS紫外探測(cè)器的研究，一定程度上對(duì)CdS紫外探測(cè)器性能得到了提高，并進(jìn)入批量生產(chǎn)[4,6]，然而，面對(duì)雙色探測(cè)器工程化應(yīng)用需求的增加，CdS紫外探測(cè)器工程化應(yīng)用及成品率成為雙色探測(cè)器工程化應(yīng)用的一個(gè)窄口。本文基于對(duì)CdS紫外探測(cè)器工程化應(yīng)用及成品率提升，對(duì)CdS晶片表面處理工藝、Pt電極制備及紫外芯片退火等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 CdS紫外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

CdS紫外探測(cè)器位于如圖1所示的疊層式結(jié)構(gòu)[8]中的InSb紅外探測(cè)器的上層，該CdS紫外探測(cè)器的高紅外透過(guò)率及高性能就是關(guān)注的重點(diǎn)。CdS紫外探測(cè)器可以采用光導(dǎo)型和光伏型兩種方法[6-7]。光導(dǎo)型探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制備，光電增益高，但是CdS光導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)速度慢，暗電流高，不利于對(duì)短波的吸收，因此，在實(shí)際的使用中受到了嚴(yán)重的限制。而光伏型探測(cè)器雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備工藝難度大，但可以獲得良好的光電響應(yīng)性能[6-8]，因此本文采用肖特基勢(shì)壘結(jié)光伏型紫外探測(cè)器。

圖1 疊層紫外/紅外雙色探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

肖特基勢(shì)壘結(jié)器件包含一個(gè)透明的肖特基接觸電極和一個(gè)歐姆接觸電極，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。歐姆接觸采用In為接觸電極。CdS的功函數(shù)在4V左右，In的功函數(shù)為3.8V，二者的功函數(shù)十分接近，可以形成良好的歐姆接觸。而肖特基結(jié)的形成采用Pt，Pt在金屬中的功函數(shù)最高為5.4V，可以形成良好的肖特基勢(shì)壘。

圖2 紫外探測(cè)器芯片結(jié)構(gòu)示意圖

2 紫外探測(cè)器芯片的制備

CdS紫外探測(cè)器采用n型CdS體晶材料。CdS晶片經(jīng)表面處理后，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition ）設(shè)備在CdS表面沉積厚度在3000?～5000?的SiO2鈍化膜，通過(guò)光刻刻蝕的方法，留出歐姆接觸孔和肖特基接觸孔，采用磁控濺射設(shè)備在留出的歐姆孔中制備歐姆接觸電極In電極、在肖特基接觸孔中制備Pt透明電極及在鈍化膜表面制備與Pt透明電極接觸的過(guò)渡電極CrAu。采用金絲球焊引出電極，通過(guò)焊盤電極轉(zhuǎn)接引出。利用KEITHLEY型-測(cè)試系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器的-特性進(jìn)行測(cè)試分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 芯片表面處理對(duì)器件性能的影響

由于CdS紫外探測(cè)器是表面結(jié)探測(cè)器，CdS紫外探測(cè)器芯片表面的好壞對(duì)紫外探測(cè)器的性能起到至關(guān)重要的作用。CdS紫外探測(cè)器芯片表面清洗可以有效去除表面氧化物或損傷層，降低表面態(tài)密度和暗電流，形成很好的歐姆接觸和肖特基勢(shì)壘結(jié)。為了獲得最佳的表面狀態(tài)，本文采用了水浴溫度為30℃～50℃、濃度為18%的HCl和濃度為98%的H3PO4進(jìn)行腐蝕清洗，分別腐蝕5～10min，很好地改善了CdS紫外探測(cè)器芯片表面的質(zhì)量，有效地降低了歐姆接觸電阻。在基于此方法處理的CdS表面采用磁控濺射制備歐姆接觸電極銦，該歐姆接觸電阻由幾千歐甚至幾兆歐減小到幾個(gè)歐，圖3所示為表面處理前后的歐姆接觸對(duì)比圖。同時(shí)基于此方法制備的肖特基也形成了良好的肖特基接觸，因此合適的表面處理方法對(duì)紫外探測(cè)器性能的提升起到至關(guān)重要作用。

圖3 紫外探測(cè)器芯片表面處理前后的歐姆接觸對(duì)比圖

3.2 Pt厚度對(duì)器件性能的影響

疊層紫外-紅外雙色探測(cè)器結(jié)構(gòu)的特殊性，CdS紫外探測(cè)器要求高性能和高紅外透過(guò)性，CdS材料本身具有良好的紅外透過(guò)性，但經(jīng)過(guò)工藝過(guò)程和Pt電極的制備后，其CdS紫外探測(cè)器對(duì)紅外的透過(guò)率受Pt電極的影響較大，如表1為Pt電極厚度與紅外透過(guò)性的關(guān)系。Pt電極厚度不僅影響紫外探測(cè)器對(duì)紅外透過(guò)能力，而且影響紫外探測(cè)器的性能，Pt電極較薄，可以較好滿足紫外探測(cè)器對(duì)紅外的高透過(guò)率，但會(huì)帶來(lái)較大的薄層電阻，影響到紫外探測(cè)器的光電性能，因此在紫外探測(cè)器總體設(shè)計(jì)中，針對(duì)紫外探測(cè)器的高性能和高紅外透過(guò)率的矛盾，采用了一種精確控制Pt膜厚度的磁控濺射方法，有效將Pt膜層厚度控制在25?～30?范圍內(nèi)，可以很好地解決疊層結(jié)構(gòu)紅外透過(guò)率低的難題，實(shí)現(xiàn)了高性能和高紅外透過(guò)率的紫外探測(cè)器芯片的研制。如圖4為優(yōu)化Pt電極后的-曲線圖，紫外探測(cè)器-曲線反向電阻均大于50MW，正向電阻小于100W，在波長(zhǎng)為0.2mm～0.6mm紫外光下的光電流大于2.0mA。采用紫外探測(cè)器光譜響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得峰值響應(yīng)率大于0.2A/W，對(duì)3～5mm紅外波長(zhǎng)的平均透過(guò)率大于80%。

3.3 退火對(duì)器件性能的影響

目前肖特基勢(shì)壘器件的成結(jié)方式多為半透明金屬電極與半導(dǎo)體接觸，通過(guò)合適的退火條件，改善金屬電極與CdS材料間的勢(shì)壘高度，形成最佳的肖特基勢(shì)壘結(jié)，圖5為退火前后肖特基結(jié)的-曲線對(duì)比圖，實(shí)驗(yàn)表明：退火后，反向漏電流明顯減少，由10－4A降低到10－9A，正向電流明顯增大，由1.12×10－2A增加到2.8×10－2A，該器件整流特性得到較好的改善，器件性能也得到很好的提升。

表1 Pt生長(zhǎng)條件與紅外透過(guò)率的關(guān)系

圖4 優(yōu)化Pt電極后肖特基結(jié)的I-V曲線圖

圖5 退火前后肖特基結(jié)的I-V曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)紫外探測(cè)器制備工藝進(jìn)行研究，確定了紫外探測(cè)器制備的關(guān)鍵工藝參數(shù)及控制方法，采用了一種精確控制Pt電極膜層厚度的方法成功將Pt電極膜層厚度控制在25～30?之間，成功制備了Pt/CdS肖特基紫外探測(cè)器，紫外探測(cè)器-曲線反向電阻均大于50MW，正向電阻小于100W，在0.3～0.5mm紫外光下的光電流大于2.0mA，響應(yīng)率大于0.2A/W，對(duì)3～5mm紅外波長(zhǎng)的平均透過(guò)率大于80%，很好地滿足了紫外-紅外雙色探測(cè)器中的工程化應(yīng)用要求。

[1] 李向陽(yáng), 許金通, 湯英文, 等. GaN基紫外探測(cè)器及其研究進(jìn)展[J]. 紅外與激光工程, 2006, 35(3): 276-280.

LI Xiangyang, XU Jintong, TANG Yingwen, et al. GaN based ultraviolet detectors and its recent development[J]., 2006, 35(3): 276-280.

[2] 郝瑞亭, 劉煥林. 紫外探測(cè)器及其研究進(jìn)展[J]. 光電子技術(shù), 2004, 24(2): 129-133.

HAO Ruiting, LIU Huanlin. Ultraviolet detectors and their developments[J]., 2004, 24(2): 129-133.

[3] 白謝輝, 楊定江. 半導(dǎo)體紫外探測(cè)器技術(shù)進(jìn)展[J]. 激光與紅外, 2003, 33(2): 83-86.

BAI Xiehui, YANG Dingjiang. Development of semiconductor ultraviolet detectors[J]., 2003, 33(2): 83-86.

[4] 李忠賀, 王新宇, 李海燕. CdS 肖特基紫外探測(cè)器的研制[J]. 激光與紅外, 2015, 45(9): 1109-1111.

LI Zhonghe, WANG Xinyu, LI Haiyan. Study on CdS Schottky ultraviolet photodetector[J]., 2015, 45(9): 1109-1111.

[5] 秦強(qiáng), 朱惜辰, 楊文運(yùn). Pt/CdS Schottky勢(shì)壘紫外探測(cè)器研制[J]. 紅外技術(shù), 2006,28(4): 234-237.

QIN Qiang, ZHU Xichen, YANG Wenyun. The development of Pt/CdS Schottky barrier ultraviolet detectors[J]., 2006, 28(4): 234-237.

[6] 白謝輝, 李忠賀, 常超. CdS紫外探測(cè)器的研究[J]. 激光與紅外, 2011, 41(8): 929-931.

BAI Xiehui, LI Zhonghe, CHANG Chao. Research on CdS ultraviolet detectors[J]., 2011, 41(8): 929-931.

[7] 孟慶巨, 劉海波, 孟慶輝.半導(dǎo)體器件物理[M]. 2版: 北京: 科學(xué)出版社, 2009.

MENG Qingju, LIU Haibo, MENG Qinghui.s[M]. 2nd edition: Beijin: Science Press, 2009.

[8] 黃江平, 何雯瑾, 袁俊, 等. 紫外探測(cè)器用CdS晶片制備工藝研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(6): 446-450.

HUANG Jiangping, HE Wenjin, YUAN Jun, et al. Study on preparation of cadmium sulfide for ultraviolet detector[J]., 2014, 36(6): 446-450.

[9] 姚官生, 張向鋒,丁嘉欣, 等. Pt/CdS Schottky勢(shì)壘紫外探測(cè)器的光電性能研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(6): 443-445.

YAO Guansheng, ZHANG Xiangfeng, DING Jiaxin, et al. Research on the photoelectric characteristics of the Pt/CdS Schottky UV detector[J]., 2014, 36(6): 443-445.

Preparation of a CdS Ultraviolet Detector

HE Wenjin，XIN Sishu，ZHONG Ke，CHAI Yuanyuan，LI Bingzhe，YANG Wenyun，TAI Yunjian，YUAN Jun

(,650223,)

A Pt/CdS Schottky UV detector was developed and studied based on the engineering application requirements of UV/IR dual-colored detectors. Key technologies such as the chip wafer surface treatment process for CdS, preparation process of the Pt electrode, and annealing of the UV detector chip were studied. The performance of the Pt/CdS Schottky UV detector was also analyzed. The results suggested a photo response rate of more than 0.2A/W for wavelengths of 0.3–0.5mm and an average transmittance of more than 80% for wavelengths of 3–5mm, which meet the engineeringrequirements of UV/IR dual-color detectors.

Pt/CdS, Schottky, UV detector,-characteristics

TN23

A

1001-8891(2021)08-0773-04

2021-02-06；

2021-08-06.

何雯瑾（1979-），女，碩士，研究員，主要從事紅外探測(cè)器材料及器件研究。E-mail:wenjinhe_2003@163.com。

袁俊（1980-）男，研究員，主要從事紅外探測(cè)器材料及器件研究。