3英寸Si基碲镉汞分子束外延工艺研究

随着红外焦平面阵列规模的扩大,由于尺寸和成本的限制,传统晶格匹配的碲锌镉衬底逐渐成为碲镉汞红外焦平面探测器发展的瓶颈,大尺寸、低成本硅基碲镉汞材料应运而生。本文采用分子束外延工艺生长获得了3 in Si基中波碲镉汞薄膜材料,通过采用金相显微镜、傅里叶红外光谱仪、双晶X射线衍射仪、湿化学腐蚀位错密度(EPD)法、Hall测试系统等检测手段对Si基中波碲镉汞分子束外延薄膜材料进行表面、光学、结构和电学性能表征,并采用标准平面器件工艺制备中波640×512焦平面探测阵列进行材料验证,结果表明该材料性能与国际先进水平相当。     

中国电科11所碲镉汞薄膜材料制备技术进展

碲镉汞材料具有响应速度快、量子效率高、带隙连续可调等优点,广泛应用于红外探测领域,本文报道了近年来中国电科11所在碲镉汞薄膜材料制备方面的技术进展。在碲锌镉衬底材料制备方面,已突破135mm碲锌镉晶体生长技术,碲锌镉衬底平均位错腐蚀坑密度(EPD) <1×104cm-2,具备了80mm×80mm规格碲锌镉衬底的批量生产能力。在液相外延碲镉汞薄膜制备方面,富碲水平液相外延碲镉汞薄膜平均位错腐蚀坑密度EPD<4×104cm-2,具备80mm×80mm规格碲镉汞薄膜的制备能力;富汞垂直液相外延实现高质量双层异质结碲镉汞薄膜材料批量化制备,该种材料的半峰宽(FWHM)控制在(20～40)arcsec范围内,碲镉汞薄膜厚度极差≤±06μm。在分子束外延碲镉汞薄膜方面,实现了6 in硅基碲镉汞材料制备,组分标准偏差≤00015,表面宏观缺陷密度≤100cm-2;碲锌镉基碲镉汞材料已具备50mm×50mm制备能力,组分标准偏差为0002,厚度标准偏差为0047μm。从探测器验证结果来看,基于富碲水平液相外延碲镉汞薄膜实现了1 k×1 k、2 k×2 k等规格红外焦平面探测器的工程化制备;采用双层异质结碲镉汞薄膜实现了高温工作、长波及甚长波探测器的制备;使用分子束外延制备的碲镉汞薄膜实现了27 k×27 k、54 k×54 k、8 k×8 k等规格红外焦平面探测器研制,在宇航领域有巨大的应用潜力。     

短/中波双色碲镉汞红外探测器制备研究

报道了基于分子束外延的短/中波双色碲镉汞材料及器件的最新研究进展.采用分子束外延方法制备出了高质量的短/中波双色碲镉汞材料,并通过提高材料质量将其表面缺陷密度控制在300 cm-2以内.在此基础上进一步优化了芯片制备工艺,尤其是在减小像元中心距方面作了优化.基于上述多项材料及器件工艺制备出了320×256短/中波双色碲...     

双色焦平面红外探测器相对光谱串音研究

提出了一种评价双色探测器的相对光谱串音的模型及测试方法。为验证模型及测试方法的可行性,采用分子束外延锗基叠层异质结构碲镉汞薄膜材料,研制了微台面结构短波/中波双色红外焦平面探测器原理器件,进行了相对光谱串音测试,归纳出3种主要的相对光谱串音模式,并结合材料、器件结构和工艺特点,分析了相对光谱串音的成因。     

大尺寸碲锌镉基碲镉汞材料分子束外延技术研究

针对高质量、大规模碲镉汞红外焦平面探测器需求的持续增加,本文开展了使用分子束外延方式在50 mm×50 mm(211)B碲锌镉衬底上外延碲镉汞材料技术的研究.通过对碲锌镉衬底改进湿化学腐蚀、碲锌镉衬底预处理、碲锌镉衬底缓冲层生长、碲锌镉基碲镉汞材料工艺开发等方面的研究,开发出了能够稳定获得碲锌镉基碲镉汞材料的工艺.材料...     

Si基碲镉汞分子束外延工艺优化研究

报道了Si基碲镉汞(MCT)分子束外延(MBE)的最新研究进展,通过使用反射式高能电子衍射(RHEED)、高温计的在线测量建立和优化了3 in Si基碲镉汞生长温度曲线;通过二次缓冲层的生长进一步降低了界面能,获得的Si基HgCdTe材料在8μm的厚度下半峰宽达到90.72 arcsec,原生片位错密度(EPD)小于1×107 cm-2;采用此材料成功制备出了高性能的中波Si基1280×1024碲镉汞探测器。     

短/中波双色碲镉汞红外焦平面探测器研究

报道了基于分子束外延碲镉汞短/中波双色材料、器件的最新研究进展。采用分子束外延方法制备出了高质量的短/中波双色碲镉汞材料,并优化了材料的质量,材料表面缺陷密度控制在500个/cm-2以内,通过扫描电子显微镜可以看出各层之间界面陡峭,使用傅里叶红外变换光谱仪(FTIR)、X射线衍射(XRD)等方法对材料进行了表征,基于此材料制备出了短/中波碲镉汞双色器件,器件测试性能良好。     

碲锌镉晶体定向研究

碲锌镉材料是制备高性能碲镉汞红外焦平面探测器不可或缺的衬底材料.液相外延工艺和分子束外延工艺分别需要使用(111)晶面和(211)晶面碲锌镉衬底制备碲镉汞薄膜材料.低偏角、高精度衬底的选取有利于高质量碲镉汞外延层的获得.介绍了孪晶线快速定向法、使用X射线衍射仪(X-Ray Diffractome-ter,XRD)定向法...     

中长双色红外焦平面探测器组件技术研究

在(211)B碲锌镉衬底上,采用分子束外延生长制备了PPP型中长双色碲镉汞材料,通过台面孔刻蚀、侧壁钝化等工艺,实现中长双色640×512红外焦平面探测器组件研制。中长双色碲镉汞材料测试结果表明,表面宏观缺陷(2～10μm)密度统计分布约773 cm^-2,同时对材料进行了XRD双晶衍射半峰宽(FWHM)测试和位错腐蚀坑(EPD)统计,XRD测试FWHM约31.9 arcsec,EPD统计值约为5×105 cm^-2;双色器件芯片台面刻蚀深度达到8μm以上,深宽比达到1∶1以上,侧壁覆盖率达到72.5%。中长双色红外焦平面组件测试结果表明,中波波长响应范围为3.6～5.0μm,长波波长响应范围为7.4～9.7μm,中波向长波的串音为0.9%,长波向中波的串音为3.1%,中波平均峰值探测率达到3.31×1011 cm·Hz1/2/W,NETD为17.7 mK;长波平均峰值探测率达到6.52×1010 cm·Hz1/2/W,NETD为32.8mK;中波有效像元率达到99.46%,长波有效像元率达到98.19%,初步实现中长双色红外焦平面组件研制。     

大面阵短波碲镉汞红外焦平面器件研究

随着红外焦平面技术的发展,大面阵红外焦平面器件在遥感、气象、资源普查和高分辨对地观测卫星上得到了广泛应用。因此,基于第三代红外焦平面技术的超大规模焦平面器件成为国内外研究热点。文中介绍了昆明物理研究所采用n-on-p技术路线成功研制的短波（Short Wave, SW） 2 k×2 k（18 μm,像元中心距）碲镉汞红外焦平面器件。短波2 k×2 k碲镉汞红外焦平面器件突破了大尺寸碲锌镉（CdZnTe）衬底制备和大面积液相外延薄膜材料生长技术,衬底尺寸由Φ75 mm增加到Φ90 mm,获得了高度均匀的大面积碲镉汞（HgCdTe）薄膜材料。通过大面阵器件工艺、大面阵倒装互连等技术攻关,最终获得了有效像元率大于99.9%、平均峰值探测率(D*)大于4×1012 (cm·Hz1/2)/W、暗电流密度在1 nA/cm2的高性能短波2 k×2 k（18 μm）碲镉汞红外焦平面器件。     

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 5×10⁶cm^-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 5×10⁵cm^-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。     

Si基短波碲镉汞材料分子束外延生长研究

报道了在中波工艺基础上,Si 基碲镉汞分子束外延短波工艺的最新研究进展,通过温度标定、使用反射式高能电子衍射、高温计的在线测量和现有的中波 Si 基碲镉汞温度控制曲线建立及优化了 Si 基碲镉汞短波材料的生长温度控制曲线;获得的 Si 基短波 HgCdTe 材料表面光亮、均匀,表面缺陷密度小于3000 cm －2;基于此技术成功制备出了 Si 基短／中波双色材料。     

昆明物理研究所大面积水平推舟液相外延碲镉汞薄膜技术进展

报道了近年来昆明物理研究所在富碲水平推舟液相外延碲镉汞外延薄膜制备技术方面的进展。2019年以来,突破了?120 mm碲锌镉晶体定向生长技术,使碲锌镉衬底沉积相和夹杂相密度≤5×103 cm－2,位错腐蚀坑密度（EPD）≤4.0×104 cm－2,?120 mm（111）晶圆衬底的Zn组份分布极差≤0.36%。基于碲锌镉衬底技术的进步,液相外延碲镉汞薄膜的最大生长尺寸达到了70 mm×75 mm,薄膜位错腐蚀坑密度均值为5×104 cm－2,X射线双晶回摆曲线半峰宽（DCRC-FWHM）≤35 arcsec,部分可控制到25 arcsec以下;50 mm×60 mm尺寸长波碲镉汞薄膜的厚度极差≤±1.25 μm,室温截止波长极差≤±0.1 μm,中波碲镉汞薄膜相应指标分别为≤±1 μm、≤±0.05 μm。材料技术的进展促进了制冷型碲镉汞探测器产能提升和成本的降低,也支撑了高性能长波/甚长波探测器、高工作温度（HOT）探测器以及2048×2048、4096×4096等甚高分辨率高性能探测器的研制。     

面向第三代红外焦平面的碲镉汞材料器件研究

文章叙述了第三代红外焦平面中所需求的碲镉汞分子束外延(MBE)的一些研究成 果。对GaAs、Si基大面积异质外延、表面缺陷抑制、p 型掺杂等MBE的主要难点问题进行了阐述。研究表明, 3 in材料的组分均匀性良好,组分x的偏差为0. 5%。晶格失配引发的孪晶缺陷可以通过合适的低温成核方法得到有效的抑制。在GaAs和Si衬底上外延的HgCdTe材料的(422) x射线衍射半峰宽( FWHM)的典型值为60～80arc·sec。大于2μm缺陷的表面密度可以控制在小于300cm- 2水平。研究发现As的表面黏附系数很低,对生长温度十分敏感,在170℃下约为1 ×10- 4。通过合适的退火,可以实现As的受主激活。采用碲镉汞多层材料已试制了长波n2on2p与p2on2n型掺杂异质结器件以及双色红外短波/中波焦平面探测器,本文报道了一些初步结果。     

大规模红外焦平面阵列探测器的有效像元率研究

随着大规模红外焦平面阵列探测器应用的日益广泛,用户对其有效像元率指标提出了越来越高的要求。分析了有效像元率提升的难点。通过优化基于垂直布里奇曼法的衬底生长以及表面加工等工艺,提高了液相外延材料质量,获得了低缺陷中波碲镉汞薄膜外延材料;通过开发碲镉汞探测器背面平坦化工艺和优化探测器与读出电路倒装互连工艺,提高了成品率。最终提升了有效像元率指标(大于99.8%),获得了良好的效果。     

浅谈碲镉汞红外焦平面探测器组件量子效率

从黑体辐射和响应信号的角度,对碲镉汞红外焦平面探测器组件量子效率问题进行了初步研究.通过简化和推广运算,得到中波320×256红外焦平面探测器组件量子效率典型值.结论同样适用于包括长波4×288组件在内的其他焦平面探测器组件.     

高工作温度中波红外碲镉汞焦平面研究

该文报道了昆明物理研究所高工作温度中波红外碲镉汞焦平面探测器器件的研究情况。通过优化焦平面器件结构参数,采用As离子注入形成p-on-n平面结器件技术,在液相外延生长的高质量原位In掺杂的碲镉汞薄膜上制备了阵列规格为640×512@15μm的中波红外焦平面探测器。利用变温杜瓦测试了焦平面芯片在不同工作温度下的光谱响应、器件暗电流、噪声等效温差、有效像元率以及盲元分布等,测试结果表明器件具备180K以上工作温度的能力。     

液相外延用碲镉汞母液晶锭的组分均匀性

开展了液相外延用碲镉汞母液晶锭的合成工艺优化研究.通过优化合成温度、合成时间、摇炉速率和淬火工艺,有效提高了碲镉汞晶锭的纵向组分均匀性.用改进工艺后合成的碲镉汞母液晶锭生长了28个外延薄膜样品,其组分平均偏差为0.95%,满足第二代红外焦平面探测器研制对探测器材料组分均匀性的要求.     

分子束外延生长碲镉汞出现的问题和解决办法

用分子束外延法生长汞基材料薄膜时出现了一些值得注意的实际问题,这些问题必须予以解决,才能成功地生长出象碲镉汞那样的红外探测器材料。在分子束外延法中,伴随汞的使用而产生的许多问题都是由于汞的室温蒸气压高(0.266Pa)和粘附系数低所引起的.设计汞的分子束外延系统时必须考虑:超高真空抽气系统、汞源、汞的封闭、以及汞的清除等事宜.此外,汞是一种有毒重全属,必须妥善处理之.碲镉汞生长的另一些问题与蒸发碲化镉和碲的分子束外延炉的设计有关. 在北卡罗来纳州立大学设计制造出一种专门用以生长汞基材料的系统.本文将在逐个讨论上述问题的同时对该系统的特点予以讨论.此外,还将提供在该系统中淀积的碲镉汞膜的生长情况和性能方面的信息.     

基于分子束外延的4 in硅基碲镉汞材料工艺研究

现阶段,大面阵碲镉汞红外焦平面探测器的需求持续增加,面向更大尺寸的碲镉汞材料制备技术成为了研究热点。对4 in硅基碲镉汞材料外延技术进行了研究。通过提升设备参数的稳定性、控制外延片的平整度以及优化材料工艺参数等一系列手段,突破了大尺寸硅基碲镉汞材料工艺的关键技术瓶颈,并制备出了高平整度、高均匀性、低缺陷率、高质量的4 in硅基碲镉汞材料。结果表明,该材料的双晶衍射半峰宽小于等于90 arcsec,表面宏观缺陷密度小于等于100 cm^-2,表面平整度小于等于15 μm。