甚長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器的注入?yún)^(qū)擴(kuò)散研究

劉世光,邢艷蕾,張 敏,張 軼,吳 卿,王成剛

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鎘汞紅外探測(cè)器以其量子效率高、波長(zhǎng)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)在軍事、宇航、民用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-2]。近些年來(lái)光譜探測(cè)、空間探測(cè)等研究方向?qū)τ诓ㄩL(zhǎng)≥12 μm的甚長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器需求強(qiáng)烈[3]。

目前國(guó)內(nèi)廣泛采用了n-on-p的技術(shù)路線(xiàn)制備碲鎘汞探測(cè)器,在碲鋅鎘基碲鎘汞上以B離子注入的方式,注入成結(jié)。注入后經(jīng)過(guò)激活退火,實(shí)際尺寸會(huì)有所變化,而且由于載流子的擴(kuò)散作用,實(shí)際光敏面的大小會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大[4]。本文為了探究甚長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器的實(shí)際光敏面相對(duì)于注入?yún)^(qū)的擴(kuò)散效應(yīng),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理分析研究。

2 實(shí)驗(yàn)方案

為研究碲鎘汞紅外探測(cè)器的注入?yún)^(qū)擴(kuò)散,設(shè)計(jì)了不同注入?yún)^(qū)的光刻版圖(如圖1所示)。為了盡量避免材料、器件工藝、電路的細(xì)微差別給結(jié)果帶來(lái)的差別,在同一片材料、同一個(gè)管芯上排布了5個(gè)不同注入?yún)^(qū)尺寸的區(qū)域,可以保證,材料、器件的工藝完全一致,并且互連同一片電路,最大程度地控制了可變因素,每個(gè)區(qū)域之間出注入?yún)^(qū)尺寸不同外,其他工藝條件完全相同。

圖1 像元中心間距30 μm的注入?yún)^(qū)示意圖(L為注入?yún)^(qū)光刻尺寸)

選用在碲鋅鎘襯底上液相外延生長(zhǎng)的甚長(zhǎng)波碲鎘汞材料,除注入?yún)^(qū)的光刻步驟外,器件采用典型的甚長(zhǎng)波320×256,30 μm中心間距的器件版圖和器件工藝條件。在320×256陣列上選取5個(gè)相同的64×256的區(qū)域,每個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)為6 μm×6 μm、8 μm×8 μm、10 μm×10 μm、12 μm×12 μm、14 μm×14 μm的注入?yún)^(qū)光刻尺寸(見(jiàn)圖2),所使用的注入能量與單位面積注入劑量均相同。

圖2 不同尺寸的注入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)示意

器件制備完成后,倒裝互連與320×256的讀出電路連接形成互連混成芯片,像元通過(guò)銦柱與讀出電路上的像素處理單元相互連接。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

器件制備完成后,封裝到杜瓦結(jié)構(gòu)中進(jìn)行測(cè)試,制冷到77 K工作溫度后,經(jīng)焦平面探測(cè)系統(tǒng),依據(jù)GB/T 17444-2013[5]測(cè)試探測(cè)器的性能,測(cè)得后截止波長(zhǎng)為12.25 μm。選取20 ℃和35 ℃的黑體溫度進(jìn)行信號(hào)測(cè)量,將35 ℃黑體溫度下和20 ℃黑體溫度下的輸出電平之差作記為信號(hào)陣列Vs[i,j]。信號(hào)陣列的灰度如圖3所示。通過(guò)圖3,可以看到,不同注入?yún)^(qū)之間的信號(hào)大小差異非常明顯。由于材料和其他器件工藝相同,單位有效光敏面面積上量子效率以及單位時(shí)間的信號(hào)相同,相同積分時(shí)間下決定不同區(qū)域信號(hào)Vs的因素為有效光敏面的面積。

取Vs為信號(hào)值,A(L,r)為有效光敏面面積,影響因素L為注入?yún)^(qū)光刻尺寸;r為注入?yún)^(qū)擴(kuò)散距離。以上表述可寫(xiě)作

Vs=a×t×A(L,r)

(1)

其中,a為單位有效光敏面積在單位積分時(shí)間的信號(hào)電壓;t為積分時(shí)間。

由于沿每個(gè)方向的擴(kuò)散距離大小相同,擴(kuò)散后的區(qū)域分布如圖4所示。

圖4 擴(kuò)散后的有效光敏面A(L,r)的分布

分析圖4幾何關(guān)系,可知:

A(L,r)=L2+4Lr+πr2

(2)

代入式(1)有:

Vs=a×t×(L2+4Lr+πr2)

(3)

當(dāng)Vs的單位取mV,t的單位取ms,L和r的單位取μm時(shí),a的單位為V/s·μm2。

為了進(jìn)一步定量分析對(duì)比不同尺寸注入?yún)^(qū)的影響,對(duì)每個(gè)64×256區(qū)域進(jìn)行剔除過(guò)熱像元和死像元[5]后,取Vs[i,j]的平均值作為每個(gè)區(qū)域的平均信號(hào)Vs(表1)。77 K工作溫度下使用的積分時(shí)間t=0.0307 ms。

表1 77 K工作溫度下,不同注入?yún)^(qū)光刻尺寸的信號(hào)值

對(duì)Vs和L的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖5),可得到77 K工作溫度下,單位有效光敏面積在單位時(shí)間的信號(hào)電壓為a=3.609 V/s·μm2,擴(kuò)散距離r=2.698 μm,數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線(xiàn)重合良好,R2=0.999,說(shuō)明式(3)的模型很好地描述了注入?yún)^(qū)擴(kuò)散的現(xiàn)象。

圖5 區(qū)域平均信號(hào)Vs隨注入?yún)^(qū)光刻尺寸L的變化及其擬合結(jié)果@77 K

由于甚長(zhǎng)波探測(cè)器經(jīng)常需要降低工作溫度來(lái)抑制暗電流的影響,60 K也為其典型的工作溫度。為了研究60 K下的擴(kuò)散情況并與77 K的情況進(jìn)行對(duì)比,使用微杜瓦進(jìn)行封裝,對(duì)60 K下的性能進(jìn)行了測(cè)試,按照同樣的處理方法也可獲得不同區(qū)域的平均信號(hào)值Vs(表2)。60 K工作溫度下使用的積分時(shí)間t=0.2 ms。

表2 60 K工作溫度下,不同注入?yún)^(qū)光刻尺寸的信號(hào)值

對(duì)60 K下的Vs和L的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合(圖6),可得到60 K工作溫度下,單位有效光敏面積在單位時(shí)間的信號(hào)電壓為a=3.872 V/s·μm2,擴(kuò)散距離r=3.001 μm,數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合曲線(xiàn)重合良好,R2=0.994。

圖6 區(qū)域平均信號(hào)Vs隨注入?yún)^(qū)光刻尺寸L的變化及其擬合結(jié)果@60 K

根據(jù)60 K和77 K的擬合結(jié)果可見(jiàn)60 K下的單位有效光敏面積在單位時(shí)間的信號(hào)電壓值a=3.872 V/s·μm2比77 K下a=3.609 V/s·μm2略大,主要原因是,60下后截止波長(zhǎng)擴(kuò)展到了13.03 μm,在前截止波長(zhǎng)由同一濾光片確定的前提下,響應(yīng)波段變寬,因此a有所增大。

同時(shí)可以看到60 K下的擴(kuò)散距離3.001 μm相比于77 K下的2.698 μm增長(zhǎng)了0.3 μm。

由于不同溫度下的擴(kuò)散距離不同,因此在后續(xù)設(shè)計(jì)器件的注入?yún)^(qū)時(shí),可根據(jù)此數(shù)據(jù)及器件工作溫度,確定最佳的注入?yún)^(qū)光刻尺寸。

4 結(jié)論與驗(yàn)證

通過(guò)以上分析,得到了注入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)尺寸L與實(shí)際探測(cè)器信號(hào)Vs的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系模型如下式所示:

Vs=a×t×(L2+4Lr+πr2)

(4)

其中,t為積分時(shí)間;a和r為與溫度相關(guān)的常熟;a的物理意義為單位有效光敏面積在單位時(shí)間的信號(hào)電壓;r的物理意義為注入?yún)^(qū)的擴(kuò)散距離。

使用此公式,對(duì)其他不同設(shè)計(jì)注入?yún)^(qū)尺寸的探測(cè)器進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,如表3所示,誤差均在10%以?xún)?nèi),說(shuō)明本模型很好地描述了注入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)尺寸、積分時(shí)間和最終測(cè)試得到的平均信號(hào)電壓的關(guān)系。

表3 不同注入?yún)^(qū)尺寸和積分時(shí)間下實(shí)測(cè)值與計(jì)算對(duì)比

5 總 結(jié)

通過(guò)設(shè)計(jì)不同注入?yún)^(qū)尺寸的區(qū)域,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到了60 K和77 K工作溫度下實(shí)際光敏面相對(duì)注入?yún)^(qū)光刻尺寸的擴(kuò)散距離,并得到了不同溫度下的單位有效光敏面積在單位時(shí)間的響應(yīng)電壓值數(shù)據(jù),獲得了將注入?yún)^(qū)設(shè)計(jì)尺寸、積分時(shí)間和最終信號(hào)電壓的模型關(guān)系,并在其他注入?yún)^(qū)尺寸以及積分時(shí)間的器件上獲得了驗(yàn)證,對(duì)于甚長(zhǎng)波探測(cè)器的高吻合度設(shè)計(jì)提升提供了可靠的設(shè)計(jì)方法和預(yù)測(cè)模型。