100 mm直径低位错密度InSb单晶生长研究

InSb是一种重要的中波红外探测器材料。为了满足更大规模、更高质量红外焦平面探测器的发展要求,对100 mm直径低位错密度InSb单晶的生长进行了研究。通过改良生长方法、优化籽晶、改进缩颈工艺、优化热场,最终获得位错密度小于等于100 cm-2、直径大于等于100 mm的大尺寸低位错密度InSb晶体。晶体沿晶棒从头到尾部的位错密度分布均匀,可用率高,能够满足大规模高质量红外焦平面探测器的使用需求。     

4英寸高质量InSb晶体生长研究

InSb晶体是制备中波红外探测器的重要材料。为了满足新一代超大规模阵列红外焦平面探测器的发展需求,开展了大尺寸InSb晶体的生长研究,解决了晶体生长的诸多关键技术,成功地生长出了直径为4 in的高质量InSb单晶,并加工出了高质量的4 in InSb抛光晶片。测试表明,直径大于120 mm的晶体长度超过100 mm,晶体位错密度小于100 cm^-2,其电学参数均匀,载流子浓度、载流子迁移率均满足制备高性能大规格红外焦平面探测器的要求。这为新一代超大规模阵列红外焦平面探测器的发展奠定了良好的材料基础。     

高质量5 in InSb单晶生长

锑化铟(InSb)焦平面探测器是中波红外探测领域应用广泛的一种探测器。作为制备探测器的基础,InSb晶体材料的质量和性能显得尤为重要。近年来InSb晶体材料在向高质量大尺寸方向发展。通过多举措坩埚设计和温场条件设计,采用直拉法生长了直径大于135 mm的InSb单晶。测试结果表明,5 in晶片的位错腐蚀坑密度小于50 cm^-2,双晶衍射峰的半峰宽为8.32 arcsec,晶体具有相当好的完整性。通过优化生长工艺参数,晶体生长过程中具有较为平坦的固液界面,表现出良好的径向电学均匀性。这为制备低成本和超大规模InSb红外探测器阵列奠定了基础。     

大尺寸锑化铟晶体生长等径技术研究

为了获得高质量的晶体,需要解决大尺寸锑化铟晶体生长过程中的精确等径控制问题.阐述了采用提拉法生长晶体时的直径控制原理及方法,分析了影响等径控制的温度与时滞因素,并采用计算机辅助控制方法解决了大尺寸锑化铟晶体生长过程中的精确等径控制问题.生长出的3in锑化铟晶体的生长条纹不明显,位错密度小于10个/cm2.     

φ100 mm掺硫InP单晶生长研究

InP以其众多的优越特性使之在许多高技术领域有广泛应用.掺硫n型InP材料用于激光器、LED、光放大器、光纤通信等光电领域.为了降低成本和适应新型器件制造的要求,本文进行了直径100mm掺硫InP单晶生长和性质研究.首先解决了大容量直接合成技术,其次解决了大直径单晶生长的关键技术,保证了一定的成晶率.采用降低温度梯度等措施,降低位错密度,提高晶体完整性.制备出100mm掺硫InP整锭〈100〉InP单晶和单晶片.经过测试其平均EPD小于5×104cm-2,载流子浓度大于3×1018cm-3.本文还对影响材料成晶的放肩角进行了研究,一般生长大直径单晶采用大于70.或平放肩技术都可以有效地避免孪晶的产生.     

Ф100mm掺硫InP单晶生长研究

InP以其众多的优越特性使之在许多高技术领域有广泛应用.掺硫n型InP材料用于激光器、LED、光放大器、光纤通信等光电领域.为了降低成本和适应新型器件制造的要求,本文进行了直径100mm掺硫InP单晶生长和性质研究.首先解决了大容量直接合成技术,其次解决了大直径单晶生长的关键技术,保证了一定的成晶率.采用降低温度梯度等措施,降低位错密度,提高晶体完整性.制备出100mm掺硫InP整锭〈100〉InP单晶和单晶片.经过测试其平均EPD小于5×104cm-2,载流子浓度大于3×1018cm-3.本文还对影响材料成晶的放肩角进行了研究,一般生长大直径单晶采用大于70.或平放肩技术都可以有效地避免孪晶的产生.     

大直径锑化铟单晶位错控制研究

本文采用的晶体生长装置具有特别的生长室结构,其外壳为不锈钢水套,可保证生长室与外界热隔离,使晶体生长不受外界干扰;另外,生长室尺寸较大,外壳直径为500mm,可使用外径达Φ100mm的坩埚;又采用了自动等径控制技术,因而可生长出大直径(Φ30～45mm)的锑化铟单晶。通过调整生长室内的温场,有效地控制了锑化铟单晶中的位错数量,得到了位错密度非常小的锑化铟晶片(EPD<10~2cm~(-2))。     

室温InAsSb长波红外探测器的研制

用熔体外延法(ME)生长出厚度达到100μm的InAsSb外延层,截止波长进入8～12μm波段。测量结果表明,InAsSb材料具有良好的单晶取向和结晶质量,位错密度达到104cm-2量级。室温下,霍尔测量得到的载流子浓度为1～3×1016cm-3,电子迁移率大于5×104cm2/Vs。用此材料制得了2～9μm波段的高灵敏度In-AsSb室温红外探测器。该探测器为浸没型光导元件,安装了镀有SiO或ZnS增透膜的单晶Si光学透镜。在黑体温度为500K、黑体调制频率为800 Hz和外加偏置电流为10 mA的测试条件下,测得293K下该探测器的最高黑体响应度达到168V/W,黑体探测率为2～6×108cm·Hz1/2·W-1,峰值探测率大于1×109cm·Hz1/2·W-1。     

50 mm×50 mm高性能HgCdTe液相外延材料的批生产技术

采用富碲垂直液相外延技术实现了50 mm×50 mm×3高性能碲镉汞外延材料的制备.外延工艺的样品架采用了三角柱体结构,并设计了防衬底背面粘液的样品夹具.为保证大面积材料的均匀性,工艺中加强了对母液温度均匀性和组分均匀性的控制,50 mm×50 mm外延材料的组分均方差达到了0.000 4,厚度均方差达到了0.4μm.在批量生产技术中,加强了对单轮次生长环境的均匀性和生长轮次之间生长条件一致性的控制,同一轮次生长的3片材料之间的组分偏差小于0.000 4,厚度偏差小于0.1μm,不同生长轮次之间材料的组分之间的波动在±0.002左右,厚度之间的波动在±2μm左右.工艺中对碲锌镉衬底的Zn组分、缺陷尺寸和缺陷密度也加强了控制,以控制大面积外延材料的缺陷,晶体双晶衍射半峰宽(FWHM)小于30弧秒,外延材料的位错密度小于1×105cm~(-2),表面缺陷密度小于5 cm~(-2).外延材料经过热处理后,汞空位型的P型Hg0.78Cd0.22Te外延材料77 K温度下的载流子浓度被控制在8~20×1015cm-3,空穴迁移率大于600 cm2/Vs.材料整体性能和批生产能力已能满足大规模碲镉汞红外焦平面探测器的研制需求.     

用于侦察应用的6000元红外焦平面列阵

这里介绍一种6 000元锑化铟(InSb)红外焦平面列阵的设计、体系结构及性能.这种焦平面列阵体系结构允许用其基本元件制作任何一种N×1000元大小的列阵.为了能在穿轨和沿轨两个方向进行有效间距为10μm的21过取样,探测器采用了一种独特的双交错几何图形.这种探测器几何图形除了能以10μm的有效间距进行取样外,还允许使用25μm以下的实际像元尺寸,这样它便可以利用大像元的高信号俘获能力进行无重叠成像.锑化铟探测器是正面照射的P-on-N型台式二极管,它们不会产生明显的串音.互补型CMOS多路传输器是按M×250的分节形式设计的,它具有多达1 000万个电子的满势阱输出,其瞬时动态范围大于14bit,它可以为焦平面列阵提供灵活的低噪声读出.为了提供可用于侦察应用的、可靠且能够生产的长焦平面线列,锑化铟探测器与多路传输器的混成是利用一项取得专利的梁式引线技术完成的.介绍了6 000元红外焦平面列阵的表征,包括二极管的动态阻抗、读出噪声、线性度以及非均匀性等.除了构成焦平面列阵的混成组件的数据外,还介绍了CMOS多路传输器的实测特性.     

异质衬底外延碲镉汞薄膜位错抑制技术进展

分子束外延碲镉汞技术是制备第三代红外焦平面探测器的重要手段,基于异质衬底的碲镉汞材料具有尺寸大、成本低、与常规半导体设备兼容等优点,是目前低成本高性能红外探测器发展中的研究重点。对异质衬底上碲镉汞薄膜位错密度随厚度的变化规律进行了建模计算,结果显示ρ~1/h模型与实验结果吻合度好,异质衬底上原生碲镉汞薄膜受位错反应半径制约,其位错密度无法降低至5×10 6 cm-2以下,难以满足长波、甚长波器件的应用需求。为了有效降低异质外延的碲镉汞材料位错密度,近年来出现了循环退火、位错阻挡和台面位错吸除等位错抑制技术,本文介绍了各技术的原理及进展,分析了后续发展趋势及重点。循环退火和位错阻挡技术突破难度大,发展潜力小,难以将碲镉汞位错密度控制在5×105 cm-2以内。台面位错吸除技术目前已经显示出了巨大的发展潜力和价值,后续与芯片工艺融合后,有望大幅促进低成本长波、中长波、甚长波器件的发展。     

基于高温热处理的InSb晶片性能研究

近年来,为了满足新一代百万像元、高集成度、高性能红外焦平面探测器的发展需求,人们对高晶格质量、高表面状态InSb晶片的要求越来越高。为了提高用生长态晶体加工的InSb晶片的性能,对晶片高温热处理进行了研究。通过采用特殊设计的晶片承载装置并结合相应的晶片热处理配合方法,优化了晶体生长态遗传的固有缺陷以及由晶片加工过程引入的加工缺陷;改善了InSb晶片的化学计量比,释放了晶片内部的残余应力;提高了晶格质量,优化了晶片整片的平面度,最终提高了InSb晶片的整体质量,为制备高性能大规格红外焦平面探测器奠定了材料基础。     

锑化铟红外焦平面探测器发展现状

近年来,红外探测器技术发展迅速,在国防、气象、红外遥感和航空航天等众多领域应用广泛。作为中波红外波段最重要的探测器之一,锑化铟(InSb)红外焦平面探测器具有量子效率极高、暗电流小、器件响应线性度高、稳定性好、灵敏度极高等特点,因此备受人们的关注和重视。InSb焦平面探测器性价比高,优势十分突出,其快速发展在很大程度上提高了红外整机性能,同时还覆盖了导弹精确制导、卫星预警探测、机载搜索侦察、红外成像及消防、医疗、电力检测、工业测温等军民两用领域。梳理了国外发达国家在InSb红外焦平面探测器方面的研究情况,分析了其发展方向并对发展前景及趋势进行了展望。     

高斯激光辐照焦平面探测器温度场分析与仿真

为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。     

直拉法制备锑化铟单晶的表面杂质研究

制备高质量锑化铟(InSb)单晶是发展大规模红外焦平面器件以及新型高温红外探测器衬底材料的关键。而在用直拉法生长InSb的过程中,表面杂质的出现会严重影响成品率。利用X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)技术研究了生产中InSb晶体表面杂质膜层的成分,分析了其主要来源及造成的影响,并采取相应工艺措施进行了改进。结果表明,InSb晶体表面杂质膜层的主要成分为In₂O₃、Sb₂O₃和Sb₂O₅三者的混合物以及碳沾污,其厚度不超过40 nm。通过对单晶炉处理和保护气氛的工艺优化,表面杂质大大减少,为获得高质量晶体奠定了基础。     

用VGF法生长6英寸锗单晶中籽晶熔接工艺研究

采用垂直梯度凝固(VGF)法生长单晶时,其温度梯度较低,生长速率较小,目前已成为生长大直径、低位错密度晶体的主流技术之一.在VGF法生长单晶的过程中,籽晶的熔接工艺直接影响着单晶生长的成败.研究了拉速器速度、保温时间及石英棉用量对6英寸(1英寸=2.54 cm)锗单晶VGF生长中籽晶熔接的影响,并确定了最佳的籽晶熔接工艺.研究结果发现,当拉速器速度为3～4 mm/h、保温时间为75～100 min、石英棉用量为15～20 9时,实现了对籽晶熔接工艺的精准控制,熔接长度为12～22 mm,位错密度小于500 cm-2,有效地降低了生产成本,提高了生产效率和单晶率.