钝化界面植氢优化的碲镉汞中波红外探测芯片

报道了在钝化界面进行低能等离子体植氢优化的n+-on-p碲镉汞(HgCdTe)中波(MW,mid-wavelength)光伏红外探测芯片的研究成果.基于由采用分子束外延技术生长的HgCdTe薄膜材料,通过注入阻挡层的生长、注入窗口的光刻、形成光电二极管的B+注入、钝化介质膜的生长、优化钝化界面的等离子体植氢、金属化和铟...     

替代衬底上的碲镉汞长波器件暗电流机理

基于暗电流模型,通过变温I-V分析长波器件(截止波长为9~10μm)的暗电流机理和主导机制.实验对比了不同衬底、不同成结方式、不同掺杂异质结构与暗电流成分的相关性.结果表明,对于B+离子注入的平面结汞空位n~+-on-p结构,替代衬底上的碲镉汞(HgCdTe)器件零偏阻抗(R0)在80 K以上与碲锌镉(CdZnTe)基碲镉汞器件结阻抗性能相当.但替代衬底上的HgCdTe因结区内较高的位错,使得从80 K开始缺陷辅助隧穿电流(I_(tat))超过产生复合电流(I_(g-r)),成为暗电流的主要成分.与平面n~+-on-p器件相比,采用原位掺杂组分异质结结构(DLHJ)的p~+-on-n台面器件,因吸收层为n型,少子迁移率较低,能够有效抑制器件的扩散电流.80 K下截止波长9.6μm,中心距30μm,替代衬底上的p~+-on-n台面器件品质参数(R0A)为38Ω·cm2,零偏阻抗较n-on-p结构的CdZnTe基碲镉汞器件高约15倍.但替代衬底上的p+-on-n台面器件仍受体内缺陷影响,在60 K以下较高的Itat成为暗电流主导成分,其R0A相比CdZnTe基n~+-on-p的HgCdTe差了一个数量级.     

离子束刻蚀HgCdTe环孔pn结I—V、RD—V特性的研究（上）

本文推导了一种可简便、准确、直观计算和分析pn结I-V特性的公式和方法,并应用该方法对两类典型HgCdTe环孔pn结的I-V、RD-V特性进行了计算和拟合;得到了表面欧姆(反型沟道)漏电导、二极管理想因子n随电压的分布等反映二极管结特性的重要参数.计算结果表明,对于长波HgCdTe光伏器件而言,表面漏电流在整个暗电流中所占的比重相当大,表面漏电流严重地制约着器件性能.HgCdTe材料的晶体缺陷会使二极管的理想因子n增大,从而使产生-复合电流及陷阱辅助隧穿电流增加.     

InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流特性分析

利用二极管电流解析模型分析了InAs/GaSb超晶格长波红外探测器暗电流的主导机制。首先,通过变面积二极管I-V测试证实77 K下采用阳极硫化加SiO₂复合钝化的InAs/GaSb超晶格长波红探测器的暗电流主要来自于体电流,而非侧壁漏电流;然后,利用扩散电流、产生复合电流、直接隧穿电流和陷阱辅助隧穿电流模型对InAs/GaSb超晶格长波红外探测器的暗电流进行拟合分析。结果表明:在小的反向偏压下(≤60 mV),器件暗电流主要由产生复合电流主导,而在高偏压下(>60 mV）,器件暗电流则主要由缺陷陷阱辅助隧穿电流主导。并分析了吸收层掺杂浓度对这两种电流的影响,证实5×1015~1×1016 cm?3是优化的掺杂浓度。     

关于Ⅱ型超晶格红外探测器列阵的发展

本文报导在Ⅱ型应变层InAs/GaSb超晶格材料上研制长波红外焦平面列阵工作的进展.美国雷神视觉系统公司和喷气推进实验室已研制成功截止波长为10至12μm的此类器件.这种器件的像元是通过湿蚀刻以及用等离子体淀积二氧化硅来进行表面钝化而形成的.列阵则是通过铟柱焊接与硅读出集成电路混成起来的.本文介绍对列阵的测试结果以及对分立二极管进行的电流-电压特性分析.雷神视觉系统公司和喷气推进实验室的研究人员发现,当温度低于70K时,漏泄电流在零偏压下受控于产生-复合效应,而在反向偏压下则受控于陷阱辅助隧穿效应.虽然其他作者已验证了Ⅱ型超晶格器件的短波红外和中波红外成像性能,但在2006年之前,还没有一个人能验证这种器件在长波红外波段内的成像性能.雷神公司和喷气推进实验室利用像元尺寸为30μm的256×256元列阵以78K的操作温度同时获得了静物图像和视频图像,在此温度下,这种列阵具有高操作性和10.5μm的截止波长.     

离子束刻蚀HgCdTe环孔pn结Ⅰ-Ⅴ、RD-Ⅴ特性的研究(下)

本文推导了一种可简便,准确、直观计算和分析pn结Ⅰ-Ⅴ特性的公式和方法,并应用该方法对两类典型HgCdTe环孔pn结的Ⅰ-Ⅴ、RD-Ⅴ特性进行了计算和拟合;得到了表面欧姆(反型沟道)漏电导、二极管理想因子n随电压的分布等反映二极管结特性的重要参数.计算结果表明,对于长波HgCdTe光伏器件而言,表面漏电流在整个暗电流中所占的比重相当大,表面漏电流严重地制约着器件性能.HgCdTe材料的晶体缺陷会使二极管的理想因子n增大,从而使产生-复合电流及陷阱辅助隧穿电流增加.     

硅基HgCdTe光伏器件的暗电流特性分析

对硅基HgCdTe中波器件进行了变温电流电压特性的测试和分析.测量温度从30K到240K,得到R0对数与温度的1000/T的实验曲线及拟合结果.同时选取60K、80K及110K下动态阻抗R与电压V的曲线进行拟合分析.研究表明在我们器件工作的温度点80K,零偏压附近主要的电流机制是产生复合电流和陷阱辅助隧穿电流.要提高器件的水平,必须降低陷阱辅助隧穿电流和产生复合电流对暗电流的贡献.     

HgCdTe电子雪崩光电二极管

用短波红外至长波红外HgCdTe制作的电子注入雪崩光电二极管所呈现的增益和过量噪声特性表现出一种单个致电离载流子的增益过程。结果形成一种具有"理想"特性的电子雪崩光电二极管,这些理想特性包括几乎无噪声的增益。本文报导在研制长波、中波和短波截止红外Hg_(1-x)Cd_xTe电子雪崩光电二极管方面所取得的成果。这些器件采用p围绕n、正面照射和n /n-/p的圆柱形几何结构,这样的几何结构便于电子注入增益区。这些器件具有一种均匀的指数式增益电压特征,这与k=α_n/α_e为零的空穴与电子电离系数比是一致的。在中波红外电子雪崩光电二极管中已测得大于1000的增益,而且没有任何雪崩击穿的迹象。在中波红外和短波红外电子雪崩光电二极管上测得的过量噪声结果表明,在高增益处有一个与增益无关的过量噪声系数,其极限值小于2。在77K温度处,截止波长为4.3μm的器件在增益为1000以上时呈现出接近1的过量噪声系数。在室温下,短波红外电子雪崩光电二极管仍与k=0效果保持一致,其过量噪声系数与增益无关,接近小于2的极限值。k=0效果可用HgCdTe的能带结构来解释。基于HgCdTe能带结构的蒙特卡罗模型和HgCdTe的散射模型预计了测得的增益和过量噪声特性。当一个中波红外雪崩光电二极管的工作温度为77K时,在10ns脉冲信号的964增益处测得的7.5光子的噪声等效输入说明了HgCdTe电子雪崩光电二极管的性能。     

离子束刻蚀HgCdTe环孔pn结Ⅰ—Ⅴ、R_D—V特性的研究(下)

本文推导了一种可简便、准确、直观计算和分析pn结Ⅰ-Ⅴ特性的公式和方法,并应用该方法对两类典型HgCdTe环孔pn结的Ⅰ-Ⅴ、R_D-V特性进行了计算和拟合;得到了表面欧姆(反型沟道)漏电导、二极管理想因子n随电压的分布等反映二极管结特性的重要参数。计算结果表明,对于长波HgCdTe光伏器件而言,表面漏电流在整个暗电流中所占的比重相当大,表面漏电流严重地制约着器件性能。HgCdTe材料的晶体缺陷会使二极管的理想因子n增大,从而使产生-复合电流及陷阱辅助隧穿电流增加。     

离子束刻蚀HgCdTe环孔pn结Ⅰ-Ⅴ、R_D-V特性的研究(上)

本文推导了一种可简便、准确、直观计算和分析pn结Ⅰ-Ⅴ特性的公式和方法,并应用该方法对两类典型HgCdTe环孔pn结的Ⅰ-Ⅴ、R_D-V特性进行了计算和拟合;得到了表面欧姆(反型沟道)漏电导、二极管理想因子n随电压的分布等反映二极管结特性的重要参数。计算结果表明,对于长波HgCdTe光伏器件而言,表面漏电流在整个暗电流中所占的比重相当大,表面漏电流严重地制约着器件性能。HgCdTe材料的晶体缺陷会使二极管的理想因子n增大,从而使产生-复合电流及陷阱辅助隧穿电流增加。     

MBE原位碲化镉钝化的碲镉汞长波光电二极管列阵

采用分子束外延(MBE)技术在表面生长碲化镉(CdTe)介质膜的p型碲镉汞(HgCdTe)材料,并通过离子注入区的光刻、暴露HgCdTe表面的窗口腐蚀、注入阻挡层硫化锌(ZnS)的生长、形成p-n结的B+注入、注入阻挡层的去除、绝缘介质膜ZnS的生长、金属化和铟柱列阵的制备等工艺,得到了原位CdTe钝化的n+-on-p...     

砷掺HgCdTe长波红外光电二极管阵列的制备与性能

采用砷(As)掺杂HgCdTe材料研制了响应截止波长为12.5 μm,规格为256×1的长波红外光电二极管阵列.实验设计了一种新的pn结测量方法,测量发现砷掺长波HgCdTe材料离子注入形成pn结深度在3.6～5.3 μm之间,而其最大横向尺寸大约是设计尺寸的1.3倍.实验采用一种改进的表面处理工艺制备了砷掺HgCdTe长波红外光电二极管阵列,获得了良好的电学性能,该工艺与常规表面处理工艺相比可以使器件峰值阻抗提高2个量级,而-0.5v偏压下的动态电阻可提高约30倍.研究认为,器件性能提高的原因是由于改进工艺可以有效抑制器件表面漏电流.     

MBE生长碲镉汞的砷掺入与激活

采用As掺杂和激活技术制备的p+-on-n异质结材料是获得高性能长波碲镉汞红外焦平面器件的关键技术之一,得到了广泛关注.采用变温IV拟合的方法,对不同As掺入浓度与器件结性能相关性进行了分析,发现降低结区内As掺杂浓度可以有效抑制器件的陷阱辅助隧穿电流.拟合结果表明,较高浓度的Nt很可能与高浓度As掺入相关.因此As的稳定均匀掺入和激活被认为是主要技术挑战.实验研究了分子束外延过程中Hg/Te束流比与As掺入效率的关系,发现相对富Hg的外延条件有助于提高As掺杂效率.研究还发现As的晶圆内掺杂均匀性与Hg/Te束流比的均匀性密切相关.对As的激活退火进行了研究,发现在饱和Hg蒸汽压中采用300℃/16h+420℃/1 h+240℃/48 h的退火条件能明显提升碲镉汞中As原子的激活率.     

砷掺杂基区n-on-p长波光伏碲镉汞探测器的光电特性

报道了砷掺杂基区n-on-p长波碲镉汞平面结器件的电流电压特性、光谱响应特性,并同p型汞空位n-on-p长波碲镉汞平面结器件进行对比分析,发现砷掺杂基区长波器件的很多性能如优值R0A、电流响应率、黑体探测率都要优于汞空位基区长波器件。     

碲镉汞p—on—n光伏器件优化掺杂的理论计算

从理论上考虑了碲镉汞长波光电二极管的主要电流机制，并采用合适的参数对R0A进行了计算。结果表明，由于隧道电流的限制，对于一定的衬底浓度，选择p区掺杂的浓度不宜过大，反之亦然。计算得到了优化择杂浓度与衬底浓度的关系和相应的R0A值。     

Effects of Inductively Coupled Plasma Hydrogen on Long-Wavelength Infrared HgCdTe Photodiodes

Bulk passivation of semiconductors with hydrogen continues to be investigated for its potential to improve device performance. In this work, hydrogen-only inductively coupled plasma (ICP) was used to incorporate hydrogen into long-wavelength infrared HgCdTe photodiodes grown by molecular-beam epitaxy. Fully fabricated devices exposed to ICP showed statistically significant increases in zero-bias impedance values, improved uniformity, and decreased dark currents. HgCdTe photodiodes on Si substrates passivated with amorphous ZnS exhibited reductions in shunt currents, whereas devices on CdZnTe substrates passivated with polycrystalline CdTe exhibited reduced surface leakage, suggesting that hydrogen passivates defects in bulk HgCdTe and in CdTe.     

Thermal cycling-induced changes in excess dark current in very long-wavelength HgCdTe photodiodes at low temperature

We have observed cooldown-to-cooldown changes in the reverse-bias dark current of some very long-wavelength (cutoff >14 μm) HgCdTe P-on-n heterojunction photodiodes operated at very low temperatures (40–45 K). Other photodiodes in the same arrays are stable between cooldowns. The unstable ones have high dark currents, in the tail of the dark current distribution. Current-voltage analysis indicates that the high dark current is caused by trap-assisted tunneling and that the number of traps changes from cooldown to cooldown. Devices with negligible trap-assisted tunneling current, limited by diffusion and band-to-band tunneling currents at reverse bias, are stable between cooldowns. Both types of devices are stable within a given cooldown over periods of at least 24 h.     

HgCdTe long-wavelength infrared photovoltaic detectors fabricated using plasma-induced junction formation technology

A long-wavelength infrared (LWIR) HgCdTe photodiode fabrication process has been developed based on reactive ion etching (RIE) plasma-induced p-to-n type conversion for junction formation. The process has been successfully applied to produce devices using both vacancy-doped and gold-doped liquid phase epitaxy (LPE)-grown p-type HgCdTe material with a cut-off wavelength of 10 μm at 77 K. The fabrication procedure is outlined and results are presented on completed devices that indicate the effect of variations in processing parameters. The fabricated devices have been characterized by measurements of the diode dark I-V characteristic over the temperature range 20–200 K, as well as by spectral responsivity measurements. Analysis of the device I-V data, variable area data, and modeling of diode dark current mechanisms indicates that gold-doped material results in higher performing devices compared to vacancy-doped material. Device performance is found to be strongly affected by trap-assisted tunneling currents and surface leakage currents at zero bias. Nonoptimum surface passivation is likely to be the major factor limiting performance at this early stage of device technology development.