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。     

3 in长波II类超晶格分子束外延工艺优化研究

为提升大面阵II类超晶格红外探测器的性能、产量和材料质量,对3 in长波InAs/GaSb II类超晶格分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)生长工艺优化进行了研究。结合反射式高能电子衍射（Reflection High-Energy Electron Diffraction, RHEED）条纹研究了不同的去氧化层温度和生长温度对3 in外延片质量的影响。使用光学显微镜、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)、表面颗粒检测仪、白光干涉仪、高分辨X射线衍射仪（High-Resolution X-Ray Diffractometer, HRXRD）以及X射线衍射谱模拟分别对外延片的表面形貌、均匀性和晶格质量进行了表征。优化后外延片1 μm以上缺陷的密度为316 cm^-2,粗糙度为0.37 nm,总厚度偏差(Total Thickness Variation, TTV)为19.6 μm,77 K下截止波长为9.98 μm。在2 in长波II类超晶格分子束外延生长工艺的基础上,研究了增大GaSb衬底尺寸后相应生长条件的变化情况。这对尺寸增大后III-V族分子束外延工艺条件的调整具有参考意义,也为锑基II类超晶格红外探测器的面阵规模、质量和产能提升奠定了基础。     

共振隧穿弱光探测器的分子束外延生长条件优化

对一种共振隧穿弱光探测器的分子束外延生长条件进行了研究。对探测器结构进行设计,研究了不同Al束流和不同生长温度下In0.52Al0.48As材料的生长质量,结合X射线衍射及原子力显微镜测试结果确定了In0.52Al0.48As材料的最佳生长条件。研究了不同Ga束流下In0.53Ga0.47As材料的生长质量,并采用一种衬底变温的生长方法解决了恒温生长较厚In0.53Ga0.47As外延层时表面容易出现点状突起的问题,获得了平整的In0.53Ga0.47As外延表面。分别采用恒温和变温的生长方法制备了探测器样品,并对其电流-电压特性及光响应进行了测试,测试结果表明,采用变温生长方法制备的探测器样品具有更高的峰值电流和光响应。     

MOCVD生长高Al组分AlGaN材料研究

报道了用MOCVD在蓝宝石衬底上生长日盲型AlGaN基紫外探测器用的高质量AlN、AlGaN材料。通过优化AlN、AlGaN生长的工艺条件,如生长温度、生长压力及Ⅴ/Ⅲ比等,得到了器件级高质量的AlN、AlGaN外延材料。AlN外延膜X射线双晶衍射ω(002)面扫描曲线半高宽为97",ω(102)面扫描曲线半高宽为870",Al0.6Ga0.4N外延膜双晶衍射ω(002)面扫描曲线半高宽为240";使用原子力显微镜(AFM)对两种样品5μm×5μm区域的表面平整度进行了表征,AlN外延膜的粗糙度(Rms)为8.484nm,Al0.6Ga0.4N外延膜的粗糙度为1.104nm;透射光谱测试显示AlN和Al0.6Ga0.4N吸收带边分别为205nm和266nm,且都非常陡峭。     

分子束外延HgCdTe/CdZnTe(211)B表面缺陷研究

HgCdTe材料的表面缺陷是造成探测器性能下降的主要原因之一。采用聚焦离子束（Focused Ion Beam, FIB）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）和能量色散X射线光谱仪（Energy Dispersive X-ray Spectrometer, EDX）研究了碲锌镉（CdZnTe)基HgCdTe外延层的表面缺陷。通过分析不同类型缺陷形成的原因,确定缺陷起源于HgCdTe材料生长过程。缺陷的形状与生长条件关系密切。凹坑及火山口状缺陷与Hg缺乏/稍高生长温度、分子束源坩埚中材料形状变化造成的不稳定束流有关。金刚石状缺陷和火山口状/金刚石状复合缺陷的产生与Hg/Te高束流比、低生长温度相关。在5 cm×5 cm大小的CdZnTe(211)B衬底表面上生长出了组分为0.216、厚度约为6.06~7 μm的高质量HgCdTe外延层。同时还建立了缺陷类型与HgCdTe薄膜生长工艺的关系。该研究对于制备高质量HgCdTe/CdZnTe外延层具有参考意义。     

碲镉汞液相外延薄膜的应力研究

用X射线衍射方法对液相外延(LPE)技术生长的碲镉汞(MCT)外延薄膜和CdTe衬底进行了观察与分析。研究表明:MCT薄膜中存在着不同程度的应力,主要表现为晶格的扭曲(300″～1200″范围),这种扭曲致使外延膜双晶回摆曲线宽化,宽化值为100″～150″,外延膜的晶格扭曲与CdTe衬底的不完整性有对应关系。研究还表明:LPE的生长条件对外延膜中的晶格扭曲也有较大影响。本文还讨论了CdTe衬底晶格扭曲形成的因素并探究了减少外延膜晶格扭曲的方法。     

Hg_(0.8)Cd_(0.2)Te液相外延的优质衬底——Cd_(1-x)Zn_xTe的晶体生长及应用

用改进型垂直布里奇曼法(VMB)生长出的Cd_(1-x)Zn_xTe (X=0.04)梨晶,切成具有单晶的薄片面积大达10～12cm~2,本文还对它代替CdTe用作液相外延生长HgCdTe的衬底,作了评价。与典型的CdTe晶体相比,CdZnTe晶体的缺陷密度较低、机械强度较好,并大大改善了在CdZnTe上生长的HgCdTe液相外延层的宏观与微观形态。CdZnTe衬底上生长的液相外延层的表面形貌表明,它与取向的关系,比在CdTe衬底(取向接近于{111}的平面)上生长的外延层与取向的关系更小。Zn加到CdTe晶格中可以使共价性增加,离子性降低,这样就抑制了范性形变和位错的产生。这些因素的组合能把晶格常数调整到两个极值范围内的任何所需要的值,这样就可以生长高性能红外探测器阵列所要求的低缺陷密度的HgCdTe外延层。通过缺陷腐蚀、红外显微镜检查、X射线摆动曲线分析和X射线形貌测量,对衬底和外延层的质量作了评定。     

Si衬底上SiC薄膜的快速生长

用垂直式低压化学气相沉积(LPCVD)系统,在(111)和(100)Si衬底上快速外延生长了SiC.用Nomarski光学显微镜和X射线衍射(XRD)分析了SiC外延膜.探讨了生长速度与反应气体流量的关系,HCl在反应过程中的作用机理,以及在快速生长条件下外延膜的结晶和取向关系.     

Si衬底上SiC薄膜的快速生长

用垂直式低压化学气相沉积(LPCVD)系统,在(111)和(100)Si衬底上快速外延生长了SiC.用Nomarski光学显微镜和X射线衍射(XRD)分析了SiC外延膜.探讨了生长速度与反应气体流量的关系,HCl在反应过程中的作用机理,以及在快速生长条件下外延膜的结晶和取向关系.     

GaAlAs/GaAs外延层多层膜X射线干涉条纹的研究

作者在MBE法和LPE法生长的GaAlAs/GaAs外延片中观察到了多层膜的X射线干涉条纹.用X射线双晶测角仪记录了这种干涉条纹,并从条纹振荡的周期计算出外延片中相应外延层的厚度.在实验样品具有一定曲率半径(在本实验条件下10—30米)的情况下,用X射线双晶形貌法摄取了这种干涉条纹相,并对弯曲外延片的成相几何进行了分析;通过测量貌相图上干涉条纹的振荡周期,计算出了外延片的曲率半径.     

晶格失配对InAs基室温中波红外探测器性能的影响

采用液相外延技术生长了InAs基室温红外探测器件材料,通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪分析了外延材料表面形貌、截面形貌与晶格失配的关系。分析发现,不恰当的晶体晶格常数匹配度会导致材料表面形貌变差,降低材料的结晶质量,晶格失配在0.22%左右的InAs基外延材料表面形貌较好,缺陷少,晶体质量较好。在此基础上,成功制备出室温探测率D^*为6.8×10⁹ cm·Hz^1/2·W^-1的InAs基室温中波红外探测器,这一性能与国际上红外探测器领军企业美国Teledyne Judson Technologies和日本滨松株式会社的商用InAs基红外探测器性能处于同等水平。     

基于B树的否定选择算法及其应用

针对传统的方法在带钢表面缺陷图像检测中存在的问题,提出了基于B树的否定选择算法.根据影响成熟检测器生成的因素,通过低频和高频变异生成初始检测器集合,改变检测器的表示方式,以数值型的检测数代替二进制字符串形式的检测器,提取自体数值、检测数值和待检数值,使用B树建立索引并构建自体信息树和检测信息树,来实现其质量检测.实验表明,该方法明显优于传统的图像检测算法,提高了检测效率.     

星载红外探测器组件环境适应性分析与性能优选

为满足低等级红外探测器组件在高可靠性领域的空间应用需求,对星载红外探测器组件进行温度循环试验、力学试验以及高温老炼试验等环境试验考核,并基于双积分球式均匀照明系统对环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率进行测试。通过对比环境试验前后红外探测器组件相对光谱响应率变化,分析红外探测器组件的环境适应性,揭示红外探测器组件的质量缺陷及其他潜在缺陷,剔除早期失效,并从参试红外探测器组件中筛选出性能优良的探测器应用在星载偏振扫面仪进行大气偏振探测。试验结果表明:参试的红外探测器组件在环境试验前后具有良好的稳定性和可靠性,可以满足航天载荷应用需求。     

层叠结构的Si0.65Ge0.35/Si红外探测器的微结构研究

采用定位的横断面透射电子显微术观察Ｐ＾＋－Ｓｉ０．６５Ｇｅ０．３５／ｐ－Ｓｉ异质结内光发射红外探测器的微结构。该器件光敏区由６层Ｐ＋－Ｓｉ０．６５Ｇｅ０．３６和５层ＵＤ－Ｓｉ层组成,每层都比较平整,各层厚度分别为６ｎｍ和３２ｎｍ,在Ｓｉ０．６５Ｇｅ０．３５／ＵＤ－Ｓｉ界面处存在应力场,但未到晶体缺陷,非晶ＳｉＯ２台阶上的Ｓｉ０．６５Ｇｅ０．３５和ＵＤ－Ｓｉ层是波浪状的多晶层,光敏区的边界处存在小于     

光纤共焦扫描显微图像渐晕校正的研究

光纤共焦扫描显微镜是一种使用单模光纤代替传统共焦扫描显微镜的针孔来形成点光源与点探测器的激光共焦扫描显微系统。本文在详细地分析了光纤共焦扫描显微镜的双振镜扫描系统产生渐晕原因的基础上,给出了渐晕校正的详细算法,并设计了与扫描采集集成为一体的硬件校正系统。     

激光抛光技术在红外探测器组件封装中的应用探索

提出将激光抛光技术应用于杜瓦部件激光焊焊缝的抛光处理中,以解决目前红外探测器杜瓦封装激光焊焊缝粗糙度大、探测器组件长时间使用过程中杜瓦焊缝强度和内部真空度欠佳、影响探测器寿命和使用性能的问题。通过实验研究了主要参数对抛光质量的影响规律,并利用激光共聚焦显微镜等设备测试了激光抛光结果。激光抛光技术可使激光焊焊缝的表面粗糙度Ra从0.25mm降低到0.03mm。研究结果充分表明,绿色高效非接触的激光抛光可以实现红外探测器杜瓦组件外表面激光焊焊缝的高质量抛光,在红外探测器制造领域有重大的潜在应用价值。     

Ebic characterization of HgCdTe crystals and photodiodes

The scanning electron microscope was used to evaluate crystal imperfections and surface conditions of HgCdTe photovoltaic detectors by the electron induced current technique. This nondestructive technique, which can be applied to other semiconductor sensors as well, was found to be useful in examining the optically active area of the devices both at room and low temperatures. Marks as small as 0.05Μm due to imperfections in the detector material and improper surface preparation can clearly be observed. Devices are examined with and without antireflecting coating. Poor adhesion and pin hole defects in the dielectric can also be detected by this technique. Damage introduced by device fabrication is identified. The induced signal image characterization is compared to surface examinations by SEM operating in the secondary electron image mode and by x-ray topography.     

锑化铟晶体空位缺陷的正电子湮灭研究

锑化铟晶体材料的电学性能是影响最终制备的红外探测器件性能的关键因素。材料内部的杂质以及点缺陷特别是空位缺陷会极大的影响材料的电学性能,有时甚至会导致材料反型。本文利用正电子湮灭谱对锑化铟晶体材料的空位缺陷类型进行了研究,同时还对不同晶体生长拉速、导电类型晶体材料的正电子湮灭寿命进行分析。结果表明其内部主要为VIn型空位缺陷,且在一定拉速范围内,正电子湮灭寿命基本无变化,此外空位缺陷也不是导致N型锑化铟晶体材料导电类型反型的主要原因。     

InGaAs探测器片上集成滤光膜的微结构与性能

为了适应未来红外焦平面探测器系统小型化、集成化和高精度的发展要求,采用了热蒸发方法分别在InP衬底和InGaAs探测器上实现了中心波长为1.38μm滤光膜的片上集成。利用偏光显微镜、原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)以及红外傅里叶光谱(FTIR)等实验手段研究了滤光膜的表面界面形貌和光学性能,结果显示,滤光膜为法布里-珀罗三谐振腔结构,与膜系设计一致;滤光膜中心波长为1.38μm,透射率在60%左右。对集成滤光膜InGaAs器件的电学和光学性能测试分析表明,滤光膜制备工艺对器件的电流电压特性和噪声基本没有影响;而集成滤光膜器件的响应要优于滤光膜分离器件的性能。     

Failure analysis from the back side of a die

A back side failure analysis flow has been developed in order to enable failure analysis of flip-chip, lead-on-chip dies and within multi-metal-level dies. A combination with frontside failure analysis methods is possible too. The back side flow consists of stepwise bulk silicon removal, electrical and physical failure analysis methods. Four different methods for bulk silicon thinning in order to localize electrical defects using photoemission microscope (PEM) are compared. A method to remove the bulk silicon after PEM analysis to expose the gate oxide level of a die has been developed. Different back side applications like physical analysis of gate oxide defects, passive voltage contrast and microprobing with an atomic force microscope tip for detection of interrupts within interconnect lines are described.