大面阵碲镉汞芯片的热应力分析与优化

随着红外焦平面探测器面阵规模的不断扩大,大面阵碲镉汞芯片的热应力进一步恶化,受温度冲击后更容易产生损伤,进而直接影响探测器的使用,甚至导致探测器失效。这已成为大面阵探测器生产工艺亟需解决的问题。借助仿真手段研究了大面阵碲镉汞芯片的低温损伤原因,并结合小面阵探测器进行了对比分析。结果表明,铟柱与碲镉汞接触边缘部位因应力集中明显而成为损伤的起源点。不同材料的选择以及结构尺寸的设计有助于降低大面阵碲镉汞芯片的热应力和提高其工作可靠性。     

超大面阵碲镉汞探测器低应力设计及有限元分析

随着碲镉汞材料和器件技术的不断发展,满足大视场、超高分辨率应用需求的超大阵列规模的红外探测器逐步投入工程应用,超大面阵探测器芯片的低温可靠性成为封装技术的重点研究内容。以某超大面阵碲镉汞混成芯片为研究对象,采用有限元仿真分析法研究了冷头材料体系、冷台外径、冷台的结构形式等因素对混成芯片低温应力和芯片光敏面低温变形的影响规律,最终优化设计出一套可满足超大面阵芯片低温可靠性要求的冷头结构和材料体系。仿真结果显示,该冷头体系硅电路低温下最大应力约为70 MPa,碲镉汞光敏区在低温下的变形约为30■m。仿真结果能满足工程应用可靠性要求的经验仿真阈值,有效改进了超大面阵红外探测器的高可靠小型化封装技术。     

光刻工艺对大面阵长波碲镉汞芯片性能的影响

通过分析器件工艺对大面阵长波碲镉汞芯片性能的影响,发现光刻工艺非均匀性累积进而显著影响碲镉汞芯片性能的现象。应用Matlab仿真计算,定量分析了碲镉汞材料片表面凸点对不同线宽光刻工艺非均匀性的影响,提出了降低光刻工艺非均匀性累积的方法和高质量光刻工艺对碲镉汞材料平坦度的具体要求。     

室温中波红外碲镉汞探测器激光辐照饱和特性的仿真

针对室温工作的光伏型碲镉汞中波红外探测器激光辐照饱和特性进行了仿真,结果表明,中红外激光对碲镉汞材料的加热效应以及光照导致零偏压阻抗降低,是影响探测器输出量子效率的重要因素。利用一维数值仿真方法,建立了室温碲镉汞pn结的模型,计算了稳态激光辐照下器件量子效率以及零偏压阻抗。理论计算了激光辐照下的稳态温度分布近似模型,并将温度场分布耦合到仿真计算中,发现衬底厚度会影响芯片的温升,从而显著影响器件饱和阈值的大小。另外,计算表明,随着光照强度的增加,器件的零偏压阻抗降低,并将仿真结果与实测芯片参数进行了比较。计算分析为设计高饱和辐照度阈值的中波红外碲镉汞探测器提供了参考。     

长波碲镉汞集成偏振探测器的设计

红外探测器已经得到了广泛的应用,近年来,对红外探测器的探测、识别能力提出了更高的要求,迫切需要红外探测器进行创新发展。随着微电子工艺的快速进步,使多种功能的芯片集成在红外探测器上成为可能,也为红外探测器进行创新提供了基础。本文介绍了偏振探测功能在长波碲镉汞探测器上的集成设计、相应的设计验证结果以及成像试验情况,这些工作的介绍为集成红外探测器的开发提供了良好的借鉴。     

中波碲镉汞红外偏振焦平面探测器的制备研究（特邀）

针对隐身等多类高价值目标精确探测与识别以及探测技术持续发展需求,为实现复杂战场环境下的高概率真假目标识别和高精度目标检测、定位、跟踪,开展复杂战场环境下隐身及微弱特征目标探测及抗干扰探测等技术研究意义重大,其中高集成度的焦平面型偏振红外探测器技术是其中一个重要方向。围绕集成式中波（MW）256×256碲镉汞红外偏振焦平面探测器的研制,介绍了偏振结构的设计、制备到偏振探测器的集成,以及偏振探测器性能的测试等方面的研究进展状况,设计加工出了亚波长金属光栅阵列,采用倒装互连的方式实现了偏振探测器的集成,并在MW 256×256碲镉汞焦平面器件上实现了红外偏振性能的测试和评估。     

碲镉汞红外焦平面器件技术进展

近十年碲镉汞第二代红外焦平面探测器应用呈现爆发式增长,也是第三代焦平面技术快速发展的十年。文中对近十年来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了简单的回顾,并结合碲镉汞红外焦平面探测器的应用,对在碲镉汞红外焦平面探测器技术方面的研究工作和工程应用进行了总结,最后,对未来碲镉汞红外焦平面探测器技术的发展进行了展望。     

线阵碲镉汞探测器致损单元反常响应机理研究

用1064 nm皮秒脉冲激光辐照PV型线阵HgCdTe探测器,随着激光能量的增大,探测单元出现了不同程度的损伤,发现了致损单元的反常响应现象,致损单元响区蓝移,对波长为1064 nm的光响应灵敏度明显增强.结果表明:受损单元p型碲镉汞层出现汞析出现象后,受损光敏元碲镉汞材料组分和载流子浓度发生变化,pn结耗尽层宽度的变化导致pn结等效电阻变化,这是导致芯片损伤单元出现反常响应的主要因素.研究发现受损光敏元随着碲镉汞材料组分增大,碲镉汞材料能带禁带宽度增大,使探测器响区出现蓝移现象,这是损伤单元对波长为1064 nm激光响应更加灵敏的主要原因.     

长波碲镉汞探测器工作温度对输出图像的影响

为分析长波碲镉汞探测器在高低温环境下盲元增加的问题,通过试验对长波碲镉汞探测器组件进行测试,并观察输出图像。可以发现,改变环境温度后,经探测器校正的所得图像发生变化。分析原因并对其进行了试验验证。结果表明,环境温度会影响探测器的输出图像及性能,即芯片的工作温度变化会引起暗电流和波长变化。     

缩小步进投影光刻机在碲镉汞红外探测器芯片工艺中的应用

光刻是制备碲镉汞红外探测器芯片过程中非常关键的工艺。目前绝大部分碲镉汞芯片制备都是使用接触式光刻技术,但是在曝光面型起伏较大的芯片时工艺均匀性较差,并且掩膜在与芯片接触时容易损伤芯片。针对接触式光刻的这些缺点,利用尼康公司生产的缩小步进投影光刻机开发了用于碲镉汞芯片的步进式投影曝光工艺。对设备的硬件和软件均进行了小幅修改和设置,使其适用于碲镉汞芯片。经过调试后,缩小步进投影光刻机在某些面型起伏较大的芯片上取得了更好的曝光效果,光刻图形的一致性得到了提升。实验结果表明,缩小步进投影光刻技术能够提高碲镉汞芯片的光刻质量,并在一定程度上改善了芯片制备工艺。     

碲镉汞高工作温度红外探测器

基于当前红外探测器技术的发展方向,从高工作温度红外探测器应用需求的角度分析了碲镉汞高工作温度红外探测器在组件重量、外形尺寸、功耗、环境适应性及可靠性方面的优势。总结了欧美等发达国家在碲镉汞高工作温度红外探测器研究方面的技术路线及研究现状。从器件暗电流和噪声机制的角度分析了碲镉汞光电器件在不同工作温度下的暗电流和噪声变化情况及其对器件性能的影响;总结了包括基于工艺优化的Hg空位p型n-on-p结构碲镉汞器件、基于In掺杂p-on-n结构和Au掺杂n-on-p结构的非本征掺杂碲镉汞高工作温度器件、基于nBn势垒阻挡结构的碲镉汞高工作温度器件及基于吸收层热激发载流子俄歇抑制的非平衡模式碲镉汞高工作温度器件在内的不同技术路线碲镉汞高工作温度器件的基本原理,对比分析了不同技术路线碲镉汞高工作温度器件的性能及探测器制备的技术难点。在综合分析不同技术路线高温器件性能与技术实现难度的基础上展望了碲镉汞高工作温度器件技术未来的发展方向,认为基于低浓度掺杂吸收层的全耗尽结构器件具备更好的发展潜力。     

HgCdTe红外探测器性能分析

根据碲镉汞材料的性能、碲镉汞红外探测器物理机理和基本器件模型,对截止波长为3 m、5 m、10.5 m的碲镉汞探测器,在不同工作温度下的探测率性能进行了理论计算。计算结果表明:碲镉汞探测器在短波、中波和长波三个主要红外波段均能满足第三代红外焦平面器件对灵敏度和工作温度的要求。     

低暗电流高温工作碲镉汞红外探测器制备技术

报道了与传统的n-on-p结构相比具有更低暗电流的p+-on-n型碲镉汞红外探测器的研究进展。通过水平滑舟富碲液相外延生长的方法在碲锌镉衬底上原位生长In掺杂碲镉汞n型吸收层材料,然后再分别采用As离子注入技术和富汞垂直液相外延技生长技术实现了P型As外掺杂的p+-on-n型平面型和双层异质结台面型两种结构的芯片制备。碲镉汞探测器的主要缺点是需要低温制冷,期望碲镉汞探测器在不降低性能的前提下具有更高的工作温度(High Operating Temperature,HOT),成为红外探测器技术发展的主要方向。本文对基于标准的n-on-p(Hg空位)掺杂工艺及新研制的p-on-n型As离子注入及异质结制备技术的探测器进行了高温性能测试,测试结果表明采用p-on-n型的碲镉汞探测器能够实现更高的工作温度。     

HgCdTe红外探测器芯片微管电极的制备与应用

介绍了一种用于超大面阵碲镉汞探测器的新型微管电极。使用常规金属沉积、光刻和刻蚀设备,即可在碲镉汞芯片上制备微管电极。在倒装互连时,碲镉汞芯片通过微管电极插入读出电路上的铟球,实现与读出电路互连。使用微管电极互连,互连所需压力比现有工艺降低了约65 %,并降低了倒装互连工艺对碲镉汞芯片平坦度和互连精度的要求,大幅度提高了互连成功率。     

碲锌镉衬底重复利用技术研究

芯片制备工艺完成后,给芯片留有一定厚度的衬底,同时利用丝切割技术将多余的碲锌镉衬底取下,并对其进行重复抛光处理。碲锌镉衬底的锌值分布及半高宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)测试结果表明,碲锌镉衬底质量较好,可以再次用来制备液相外延碲镉汞薄膜。该薄膜经过标准探测器芯片工艺后,性能合格。该研究使原本要完全去除的衬底得以重复利用,提高了碲锌镉衬底的利用率,降低了探测器的制造成本。     

长波多元线列光导碲镉汞红外探测器实用化组件

本文报导探测器／微杜瓦，１．７５Ｗ／８０Ｋ分置式斯特林制冷机和大动态，低频，低噪音，低源阻集成前置放大器组成的全国产化工程化１６０元双排线列光导碲镉汞红外探测器组件和分置式斯特林制冷机制的１２０元单排线列光导碲镉汞红外探测器组件性能；简述组件芯片制造工艺，组件中探测器芯片，微杜瓦，网络电阻排，吸气剂，测温二极管和微型连接器间的组装技术；介绍组件机械耦合技术和总体联调技术。     

中波碲镉汞p-on-n高温工作技术研究

针对碲镉汞中波p-on-n技术进行研究,采用二次离子质谱仪分析注入后及退火后As离子在碲镉汞材料中的浓度分布,使用透射电镜表征激活退火后离子注入损伤修复状态,通过半导体参数测试仪评价pn结的IV特性,将探测器芯片装在变温杜瓦中测试其不同温度下的焦平面技术指标。研究结果表明,As离子注入后在碲镉汞体内形成大量缺陷,经过富汞退火后缺陷得到修复,同时As离子进一步向内扩散,制备的pn结工作稳定表明As离子得到有效激活,制备的中波p-on-n探测器芯片在120 K温度下有效像元率可以达到99%以上。     

长线列碲镉汞红外焦平面微型杜瓦的研究

针对长线列碲镉汞红外焦平面探测器封装的特点，文章讨论了分置式微型杜瓦研制的难点。在用于封装2000元碲镉汞焦平面芯片的分置式微型杜瓦研制中，详细阐明了一种焦平面芯片其装载面为斜拉式支撑结构的设计，实现了探测器外引功能线的布线优化及其输出引线工艺改进，并提出了一种大尺寸高气密光学窗口的焊接方法等关键技术。通过这些关键技术的突破，成功研制出了2000元碲镉汞焦平面探测器杜瓦组件。     

碲镉汞小晶片缺陷的同步辐射形貌相分析

在北京正负电子对撞机国家实验室，用同步辐射拍摄了制备长波光导多元碲镉汞红外探测器的小晶片（面积小于１ｍｍ２）的高分辨率白光形貌相。实验结果表明：在碲镉汞小晶片中存在相当多的晶体缺陷，如亚晶界和晶格畸变区等。这些缺陷的存在说明样品受到较强的应力作用，样品晶格的完整性实际上反映了碲镉汞晶体生长和器件制备技术的应力控制水平。根据晶格的畸变模型，讨论了多元线列器件的性能与碲镉汞材料缺陷的关系。     

大面阵碲镉汞芯片的耦合热应力模型与结构优化

针对大面阵碲镉汞芯片热应力仿真分析过程中计算量与准确性不能兼容的问题，通过在芯片互联区的不同位置引入小规模铟柱阵列建立了耦合热应力的优化仿真模型。借助此模型进行热应力分析，发现在铟柱的上下表面附近区域产生了较大的热应力，同时边缘及角落处的阵列单元内部所产生的热应力更大(最高达225.69 MPa)。进一步对芯片的结构进行了优化，获得了最优读出电路及碲锌镉衬底厚度。此外，仿真结果表明，单面铟是热应力较低的铟柱结构，减小铟柱的半径可以进一步减小其内部的热应力。所提出的热应力仿真优化模型为大面阵碲镉汞芯片内部的热应力分析提供了更准确有效的分析方法以及器件设计方面的理论指导。