用分子束外延方法在4″硅衬底上生长HgCdTe并制造高性能大规格中波红外焦平面列阵

美国Raytheon公司已能用分子束外延方法在4"硅晶片上生长HgCdTe中波红外双层异质结(MWIRDLHJ),并能用这些晶片制造高性能器件。测试数据表明,用分子束外延晶片制造的截止波长范围为4μm～7μm的探测器的性能堪与用液相外延方法生长的材料的趋势线性能匹敌。两者的光谱特性相似,但前者的量子效率略低,这归因于所使用的硅衬底。在R_0A参数方面,HgCdTe/Si器件比用液相外延方法生长的探测器更接近理论辐射限。通过一个简单的模型,已知材料中的缺陷密度关系到器件的性能。同液相处延材料相比,分子束外延材料的1/f噪声略有增加,但测得的噪声电平还不足以明显降低焦平面列阵的性能。Raytheon公司除了用分子束外延材料制造分立的探测器之外,还用这种材料制造了两种规格的焦平面列阵。制造出来的128×128元焦平面列阵的中波红外灵敏度与用成熟的InSb工艺制造的焦平面列阵相似,而像元的可操作率已超过99％。用分子束外延材料制造的640×480元焦平面列阵则显示出更高的灵敏度和可操作率。     

双波段红外HgCdTe焦平面列阵

本文综述法国原子能委员会LETI红外实验室在双波段红外焦平面列阵方面所做的研究工作.在工艺上,该实验室采用的是通过分子束外延法在晶格匹配的高质量CdZnTe衬底上生长的HgCdTe多层掺杂异质结构.器件的结构是n+ppn,而且在空间上是相干的.长波层是一个平面状的n+/p二极管,它是通过离子注入制成的,而波长较短的p-n二极管则是在分子束外延过程中通过掺铟在原位制成的.最后一个结是通过台面蚀刻而被隔离的,探测器通过铟丘与一个读出效率接近100%的读出电路互连.每个像元有一个或两个铟丘,用来按序或者同时访问两个波长,探测器的间距分别为50μm和60μm.每个波段中的单元探测器所呈现的性能接近用标准工艺制作的单色探测器的性能.为了优化双波段红外焦平面列阵的性能,LETI红外实验室专门为这种列阵设计了一种硅CMOS读出电路.本文介绍了128×128元(间距为50μm)中波红外(2μm～5μm)双色焦平面列阵在77K温度处操作时的光电性能.     

MBE法生长碲汞镉合金薄膜的前景

制备高性能HgCdTe多元列阵探测器,需要高质量的晶体材料。本文介绍了目前已有的HgCdTe薄膜外延生长工艺,比较了液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)、有机金属化学汽相淀积(MOCVD)、激光蒸发淀积(LADA)等HgCdTe薄膜外延生长工艺的优缺点,着重     

128x128元InAs/GaSb II类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100%截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109cmHz1/2W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面探测器

报道了128×128元InAs/GaSb Ⅱ类超晶格红外焦平面阵列探测器的研究成果.实验采用分子束外延技术在GaSb衬底上生长超晶格材料.红外吸收区结构为13 ML(InAs)/9 ML(GaSb),器件采用PIN结构,焦平面阵列光敏元大小为40 μm×40μm.通过台面形成、侧边钝化和金属电极生长,以及与读出电路互连等工艺,得到了128×128面阵长波焦平面探测器.在77 K时测试,器件的100％截止波长为8μm,峰值探测率6.0×109 cmHz1/2 W-1.经红外焦平面成像测试,探测器可得到较为清晰的成像.     

用离子注入法研制低暗电流和高性能的Hg0.57Cd0.43Te红外探测器

本文介绍美国雷神视觉系统(RVS)公司和AVYD器件公司在提高红外探测器性能方面所获得的成果。这两家公司联合验证了一些具有高可操作性和高性能的甚大规格成像焦平面列阵,它们将在未来的近红外和短波红外成像应用中发挥应有的潜能。这种探测器的设计理念可能会使像元间距小到5μm的大规格焦平面列阵达到衍射限分辨率。本文报导雷神视觉系统公司的先进样品制造厂把该公司的Hg_(1-x)Cd_xTe材料生长和探测器操作工艺方法与AVYD公司的p型离子注入方法结合起来在制作平面探测器列阵晶片方面所做的工作。同时综述像元间距为20μm的1024×1024元短波红外焦平面列阵的性能。这种探测器列阵是用响应波段为从近红外至2.5μm截止波长的Hg_(1-x)Cd_xTe材料制作的。通过柱状焊接互连技术,探测器列阵与雷神视觉系统公司的天文学级读出电路片焊接在一起。这些焦平面列阵在整个光谱范围内呈现出极佳的量子效率和均匀性,并呈现出中值为每秒0.25个电子的甚低漏泄电流。用来制作探测器列阵的工程级Hg_(1-x)Cd_xTe外延层是用经过改进的液相外延方法在CdZnTe衬底上生长的,并经过了复合的钝化/离子注入/钝化处理。本文详细评论探测器的性能数据,其中包括测试结构的电流-电压特性曲线、截止光谱曲线、焦平面列阵的量子效率和漏泄电流。     

短波红外InGaAs焦平面噪声特性

为研究铟镓砷焦平面的噪声特性,设计了两种不同吸收层掺杂浓度的InGaAs外延材料,采用标准工艺制备了平面型160×128元光敏芯片,并与相同结构的读出电路倒焊耦合形成160×128元焦平面,采用改变积分时间和改变器件温度的方法,测试焦平面的信号与噪声.通过研究不同材料参数、器件性能与焦平面噪声的关系,定量分析了短波红外InGaAs焦平面的噪声特性.结果表明,焦平面噪声主要来源于焦平面耦合噪声和探测器噪声,降低InGaAs外延材料吸收层的掺杂浓度,可以有效降低探测器电容,从而降低焦平面的耦合噪声;而探测器噪声由探测器暗电流和工作温度影响,该噪声在长积分时间下决定了焦平面的总噪声水平.实现低暗电流、低电容特性的光敏芯片是降低焦平面噪声的有效途径.     

InSb薄膜分子束外延技术研究

InSb材料由于其优异的光电性能,一直是军事领域重要的红外探测器材料。而高温工作是InSb发展的一个重要方向,开发分子束外延InSb材料是实现高温工作的基础。本文采用分子束外延工艺生长获得了高质量的InSb薄膜,通过金相显微镜、X射线双晶衍射仪、原子力显微镜、SEM和EDX等检测手段对InSb外延膜进行表面缺陷、晶体质量表征和分析,并采用标准的InSb器件工艺制备128×128焦平面探测器芯片进行材料的验证,结果表明该材料性能可以满足制备高性能器件的要求。     

液相外延生长大面积Hg_(1-x)Cd_xTe外延层

引言本征半导体Hg_(1-x)Cd_xTe变成更为重要的红外光伏探测器材料是因为最近在液相外延(LPE)法生长晶体方面取得了进展。用液相外延法得到的组分均匀性比块体材料好,并且不需要长时间退火来达到均匀性。此外,用LPE法可制备具有不同组分和掺杂浓度的多层HgCdTe结构。用LPE法在CdTe衬底上生长HgCdTe对制备背照式探测器是理想的。在制备每个具有成百或上千个元的HgCdTe焦平面探测器阵列时,就必须要能够生长大面积均匀组分器件质量的HgCdTe。许多单位报导了在垂直和水平炉结构中用LPE法生长了HgCdTe。大多数工作集中于自富碲熔体中进行水平生长,但最近已进展     

HgCdTe液相外延薄膜生长及缺陷表征

液相外延是制备HgCdTe薄膜材料的一项成熟技术,大尺寸的外延薄膜是研制HgCdTe红外焦平面列阵的基础。探讨了尺寸为30mm×40mm的HgCdTe液相外延薄膜生长技术,用红外透射光谱和X光貌相技术对材料进行了评价。并对HgCdTe薄膜表面的黑点缺陷、波纹起伏等特征形貌进行了讨论,指出黑点缺陷是杂质粒子在薄膜表面形成的包裹体,而表面波纹是由生长母液中的对流引起的。     

非制冷长波红外焦平面列阵现状

文章介绍了非制冷测辐射热计和铁电陶瓷焦平面列阵的现状，包含8万个非制冷氧化钒红外探测器的焦平面列阵已制成热像仪，系统的噪声等效温差（NETD）为0．04℃，不需要制冷和机械调制入射辐射。多晶硅热敏电阻和硅p－n结温差电堆焦平面列阵的研究工作取得了进展，用溅射和化学汽相淀积技术已制成128×128元硅薄膜测辐射热计焦平面列阵，单元探测器的探测率为1×109cmHzW－1；128×128元温差电堆焦平面列阵的NETD为0．5℃。利用热释电效应和介电常数温度变化的铁电陶瓷焦平面列阵制成的热像仪，NETD已达到0．047℃。     

HgCdTe长波光电二极管列阵的等离子体修饰

报道了HgCdTe长波离子注入n+-on-p型光电二极管列阵低能氢等离子体修饰的研究成果.基于采用分子束外延(MBE)技术生长的HgCdTe/CdTe薄膜材料,通过注入窗口的光刻与选择性腐蚀、注入阻挡层的生长、形成光电二极管的B+注入、光电二极管列阵的低能氢等离子体修饰、金属化和铟柱列阵的制备等工艺,得到了氢等离子体修饰的n+-on-p型HgCdTe长波光电二极管列阵.从温度为78 K的电流与电压(I-V)和动态阻抗与电压(R-V)特性曲线中,发现经过低能氢等离子体修饰的HgCdTe红外长波光电二极管列阵动态阻抗极大值比未经过修饰处理的提高了1～2倍,并在反向偏压大于动态阻抗极大值所处的偏压时动态阻抗得到更为明显的提升.这表明低能氢等离子体修饰可以抑制HgCdTe光电二极管列阵暗电流中的带带直接隧穿电流Ibbt和缺陷辅助隧穿电流Itat,从而能提高长波红外焦平面探测器工作的动态范围和探测性能的均匀性.     

微电子学、集成电路

TN42005040348碲镉汞p+-on-n长波异质结探测器的研究/叶振华,吴俊,胡晓宁,巫艳,王建新,李言谨,何力(中国科学院上海技术物理研究所材料器件中心)//红外与毫米波学报.―2004,23(6).―423～426.报道了HgCdTe p+-on-n长波异质结焦平面器件的研究结果.采用由分子束外延(MBE)和原位掺杂技术生长的P+-on-n异质结材料,通过湿法腐蚀、台面钝化、台面金属化、铟柱制备和互连等工艺,得到了HgCdTe p+-on-n长波异质结焦平面器件.根据,I-V实验结果和暗电流理论,拟合计算和分析了各种暗电流机制对器件性能的影响.且获得了器件的响应光谱和探测率。图…     

光伏HgCdTe混合焦平面列阵的性能

第二代红外成象系统要求高密度的焦平面列阵便于凝视成象应用。为满足此需要,研制了光电二极管HgCdTe探测器和信号处理Si—CCD器件相组合的焦平面结构。通常用的离子注入混合列阵与CCD多路传输器虽然已成功地实现互连,但是用液相外延(LPE)层制备的混合列阵在性能、信号处理和输出效率方面具有独特的优点。采用富汞LPE技术制备的异质结二极管,其性能优于一般的离子注入器件。这种器件的面电阻高,组分均匀性好。本文就8—12μm和3—5μm波段范围所用器件的制备情况作简要介绍。     

HgCdTe外延材料批量化生产及其质量控制

经过多年研发,我司的碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面探测器已达到批量生产的水平。优异性能的红外探测器离不开高质量的HgCdTe外延材料,外延材料的厚度及组分均匀性、表面缺陷的控制以及HgCdTe外延/CdZnTe衬底晶格匹配度是批量化生产中需要控制的关键性因素,红外探测器的批量化生产也给HgCdTe外延材料质量稳定性以及一致性的控制提出了更高的要求。本文介绍了HgCdTe外延材料批量化生产中这几项关键指标的控制,以及外延质量优化后红外焦平面性能的提升。Abstract:关键词:     

红外材料与器件技术的发展

从世界范围来看,红外材料、器件仍处在不断发展的态势。以HgCdTe而言,当前大量使用的红外探测器产品,还主要是由体材料制成。尽管有权威的专家预言体材料存在不可克服的问题,但其生长技术仍在不断改进;液相外延技术近7～8年来有很大发展,并取得成就;制备红外探测器的材料并没有以HgCdTe为其终点,还在继续研究新材料;新设备新技术的引进,使红外材料、红外探测器的工艺水平有显著提高;用MBE(分子束外延)和MOCVD(有机金属化学汽相淀积)新技术制备红外材料和器件的研究工作、正迅速开展。我认为所有这些工作都是在深入研究材料基本性质的基础上开展起来的。     

适合多种应用的先进焦平面列阵（上）

红外成像技术的优势越来越明显．其应用也越来越广泛．因此，人们对红外焦平面列阵提出了新的要求，这些要求同时影响着探测器和集成读出电路的发展．由于各种应用具有不同的要求．而人们又没法制成可满足所有要求的通用焦平面列阵，因此嚣要根据用户的要求来设计焦平面列阵．提得更多的要求是更大的规榕、更高的灵敏度、更小的像元和更多的功能度。此外还必须达到以低成本进行批量生产的目的。本文从焦平面列阵的两个方面，即探测器和读出集成电路，采说明如何满足不断提高的要求．对于探测器，本文同时介绍致冷型和非致冷型探测器，其中分别提到利用分子束外延技术生长的HgCdTe探测器和氧化钒(VOx)微测辐射热计．读出集成电路已发展到具有智能特征以及片上信号处理和片上模／数转换功能的水平．     

HgCdTe液相外延(LPE)异质结探测器列阵

用于凝视和扫描上的第二代红外成象系统要求有高密度的焦平面列阵,为了满足这些要求,已经研制了用HgCdTe光电二极管作为探测器和用硅CCD作为信号处理的焦平面结构。虽然常规的离子注入混合列阵己经成功地被用于CCD多路调制器,但在LPE层上制作混合列阵,出现了一些与性能、工艺过程和产量有关的优点。己经测出,用大量富汞熔体进行LPE制备的异质结二极管的性能比常规的离子注入器件要好。这些器件是由p型衬底生长n型LPE层构成的。这些外延层在原生时都是n型,且不需经过退火。由这些外延层制作的器件其R_oA_j乘积大,且组分均匀性好。这里将介绍用于8—121μm和3—5μm的器件数据。     

在硅衬底上研制大规格红外焦平面列阵

第三代红外成像技术需要高性能的大规格红外焦平面列阵。HgCdTe红外焦平面列阵所呈现的性能可满足这种要求。基于硅的复合衬底已被证明是实现高分辨率HgCdTe列阵的首选衬底。复合衬底的工艺技术具有可量测性,目前使用的衬底尺寸已达6in,而且具有极好的组分均匀性。代表目前工艺水平的复合衬底所呈现的位错密度处于中低档范围,即10~5cm~(-2)。然而,在复合衬底上生长的HgCdTe外延层所呈现的缺陷密度为10~6cm~(-2)。最近在CdSeTe/Si复合衬底方面的研制工作表明,这种衬底很有希望与HgCdTe合金达到更好的晶格匹配。可以预见,若能进一步提高材料质量并改进器件结构,那么实现基于HgCdTe的可量测的工艺技术是完全可能的。     

HgCdTe/CdZnTe晶格失配与X光衍射貌相的关系研究

文章采用富Te水平推舟液相外延工艺在CdZnTe衬底上生长了HgCdTe外延薄膜.研究了外延薄膜/衬底晶格失配度、X光衍射貌相、红外焦平面器件探测率三者之间的关系.对于HgCdTe外延层的X光衍射貌相我们将其大致分为五类,分别是Crosshatch貌相、混合貌相、均匀背景貌相、Mosaic貌相以及由衬底质量问题引起的沟壑状貌相,采用Crosshatch貌相和混合貌相材料所制备的红外焦平面器件,平均来说其探测率(D*)较高.X射线双轴衍射的实验结果表明,当外延层与衬底的晶格失配度为～0.03%时,外延层会呈现明显的Crosshatch貌相;而当失配度减小时,会逐渐呈现出混合貌相、均匀背景貌相、直至失配度为负值时呈现Mosaic貌相.因此,对于特定截止波长的HgCdTe焦平面器件,可以通过控制HgCdTe/CdZnTe之间的失配,生长出符合我们要求的貌相的碲镉汞外延材料,从而来提高焦平面器件的性能.