金掺杂碲镉汞红外探测材料及器件技术

采用金掺杂替代作为深能级缺陷中心的汞空位,可明显提高P型碲镉汞材料少子寿命,进而降低以金掺杂P型材料为吸收层n-on-p型碲镉汞器件的暗电流,明显提升了n-on-p型碲镉汞器件性能,是目前高灵敏度、高分辨率等高性能n-on-p型长波/甚长波以及高工作温度中波碲镉汞器件研制的一种技术路线选择。本文在分析评述金掺杂碲镉汞材料现有研究技术要点的基础上,结合昆明物理研究所目前的研究成果,总结了碲镉汞金掺杂相关工艺技术,重点分析了金掺杂对碲镉汞器件性能的影响。     

Au掺杂碲镉汞长波探测器技术研究

昆明物理研究所多年来持续开展了对Au掺杂碲镉汞材料、器件结构设计、可重复的工艺开发等研究,突破了Au掺杂碲镉汞材料电学可控掺杂、器件暗电流控制等关键技术,将n-on-p型碲镉汞长波器件品质因子(R₀A)从31.3Ω·cm²提升到了363Ω·cm²(λcutoff=10.5μm@80 K),器件暗电流较本征汞空位n-on-p型器件降低了一个数量级以上。研制的非本征Au掺杂长波探测器经历了超过7年的时间贮存,性能无明显变化,显示了良好的长期稳定性。基于Au掺杂碲镉汞探测器技术,昆明物理研究所实现了256×256 (30μm pitch)、640×512 (25μm pitch)、640×512 (15μm pitch)、1 024×768 (10μm pitch)等规格的长波探测器研制和批量能力,实现了非本征Au掺杂长波碲镉汞器件系列化发展。     

不同结构的碲镉汞长波光伏探测器的暗电流研究

摘要对B^ 注入的n-on-p平面结和分子束外延(MBE)技术原位铟掺杂的n-on-p台面异质结的碲镉汞(HgCdTe)长波光伏探测器暗电流进行了对比分析．与n-on-p平面结器件相比，原位掺杂的n-on-p台面异质结器件得到较高的零偏动态阻抗一面积值(RoA)．通过与实验数据拟合，从理论上计算了这两种结构的器件在不同温度下的RoA和在不同偏压下的暗电流，得到一些相关的材料和器件性能参数．     

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.     

砷注入碲镉汞P—on—N结的电流电压特性

最近,选用Ｎ 型体材料碲镉汞（Ｈｇ１－ ｘＣｄｘＴｅ） 作衬底,成功制备了平面ＰｏｎＮ 结构的光电二极管。文中报道了制备各个波段ＰｏｎＮ 结的一些进展。碲镉汞平面ＰｏｎＮ 结采用砷掺杂在Ｎ 型衬底上形成Ｐ区,砷掺杂由砷离子注入加上退火扩散形成。对ＰｏｎＮ 二极管的电流电压关系温度特性的研究表明：直到１４０Ｋ,长波（λｃ ＝ ９ ．１μｍ）ＰｏｎＮ 结的暗电流以扩散电流为主。制备了从中波到长波各个波段的碲镉汞ＰｏｎＮ 结构红外探测器。目前,对于λｃ ＝ ５ ．２μｍ 的器件,Ｒ０ Ａ 值达到６８Ωｃｍ２ ,黑体探测率Ｄ＊ｂｂ（５００Ｋ） 可达２ ×１０１０ｃｍ Ｈｚ１／２／ Ｗ;对于λｃ ＝ １４ ．５μｍ 的器件,Ｒ０ Ａ 值达到０－２Ωｃｍ２ ,黑体探测率Ｄ＊ｂｂ（５００Ｋ） 可达１ ×１０９ｃｍ Ｈｚ１／２／ Ｗ。     

碲镉汞光伏探测器机理研究

碲镉汞可以制成光伏型器件和光导型器件.光导器件结构较简单,易于制造,但功耗大,响应速度较慢,为第一代红外探测器件.目前,我所实用的长波光子探测器就是光导型的.光伏器件较之光导器件功耗小,响应快.光伏型碲镉汞器件分为n-on-p型和p-on-n型两种.对长波波段,两者相比,后者比前者有较大的RoA,但由于注入损伤为n型,而且浅结时光电流的输出主要靠衬底,p型时少子扩散长度大,工艺也较简单,因而光伏器件以n-on-p型为多,已经制成(1～)3μm、(3～5)μm的p-n结光电二极管.除非特别指明,以下我们提到的光伏器件就是指n-on-p型.工艺上,在晶体生长中掺锑制造弱p型衬底,锑为五族元素,在晶格中占据碲空位,并提供一个空穴.在p型衬底上进行硼离子注入生成n-on-p结.通过严格控制工艺过程,已经得到性能较好的光伏器件.掺Sb生长的p型衬底与空穴类型的p型衬底相比,其优点在于:Sb分凝系数小,利用杂质分凝效应可获得浓度均匀的材料;避免高温处理;减少与汞空位和其它缺陷相关的深能级,提高少子寿命.     

碲镉汞p-on-n长波异质结探测器材料的制备研究

报道了碲镉汞p+-on-n长波双层异质结材料和异质结台面器件的研究结果,重点研究了p+-on-n型双层异质结材料制备技术。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,然后再采用富汞垂直液相外延技术制备p型As原位掺杂的碲镉汞cap层材料,从而获得p+-on-n型双层异质结材料,并通过湿法腐蚀、台面刻蚀以及钝化等工艺得到碲镉汞 p+-on-n长波异质结台面型器件。p+-on-n异质结器件结构可以有效克服少子寿命偏低等问题,在长波及甚长波波段具有更低的暗电流和更高的R0A值,这对于解决目前长波碲镉汞红外探测器暗电流大、结阻抗低的问题,提高长波及甚长波波段碲镉汞红外焦平面器件的性能具有重要的意义。     

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。     

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。     

As注入长波碲镉汞红外探测器工艺研究

p-on-n结构的碲镉汞红外探测器具有长的少子寿命、低暗电流、高R0A值等优点,是高温器件、长波甚长波器件发展的重要器件结构.而国内还鲜有砷注入掺杂p-on-n长波HgCdTe探测器的相关报道,为了满足军事、航天等领域对高性能长波探测器迫切的应用需求,针对As离子注入的长波p-on-n碲镉汞红外探测器退火工艺技术进行研...     

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...     

长波碲镉汞材料As掺杂激活研究

利用离子注入工艺实现长波碲镉汞材料的As掺杂,As作为掺杂介质表现出两性掺杂行为,而As只有占据Te位成为受主才能形成P型碲镉汞材料。通过对砷掺杂碲镉汞材料在汞气氛中进行退火,分析注入退火引起的样品电学性质的变化,对砷激活退火采用的汞压、温度及时间进行了研究,利用霍尔测试和二次离子质谱仪(SIMS)等手段分析激活效果,研究发现,高温富汞热退火可以实现碲镉汞As激活。     

HgCdTe长波光电二极管列阵的等离子体修饰

报道了HgCdTe长波离子注入n+-on-p型光电二极管列阵低能氢等离子体修饰的研究成果.基于采用分子束外延(MBE)技术生长的HgCdTe/CdTe薄膜材料,通过注入窗口的光刻与选择性腐蚀、注入阻挡层的生长、形成光电二极管的B+注入、光电二极管列阵的低能氢等离子体修饰、金属化和铟柱列阵的制备等工艺,得到了氢等离子体修饰的n+-on-p型HgCdTe长波光电二极管列阵.从温度为78 K的电流与电压(I-V)和动态阻抗与电压(R-V)特性曲线中,发现经过低能氢等离子体修饰的HgCdTe红外长波光电二极管列阵动态阻抗极大值比未经过修饰处理的提高了1～2倍,并在反向偏压大于动态阻抗极大值所处的偏压时动态阻抗得到更为明显的提升.这表明低能氢等离子体修饰可以抑制HgCdTe光电二极管列阵暗电流中的带带直接隧穿电流Ibbt和缺陷辅助隧穿电流Itat,从而能提高长波红外焦平面探测器工作的动态范围和探测性能的均匀性.     

长波红外2048元线列碲镉汞焦平面器件

介绍了长波红外2048元线列碲镉汞焦平面器件的制备技术和达到的性能参数.探测器采用离子注入平面pn结制备光敏元,通过间接倒焊技术和读出电路互联,采用8个256元焦平面模块拼接2048元线列焦平面器件.光敏元的响应截止波长达到9.9μm,相应的RoA达到10Ωcm2,平均峰值探测率达到9.3×1010cmHz1/2 W-1,响应不均匀性为8%,有效光敏元率大干99.5%.     

Bake stability of long-wavelength infrared HgCdTe photodiodes

The bake stability was examined for HgCdTe wafers and photodiodes with CdTe surface passivation deposited by thermal evaporation. Electrical and electrooptical measurements were performed on various long-wavelength infrared HgCdTe photodiodes prior to and after a ten-day vacuum bakeout at 80°C, similar to conditions used for preparation of tactical dewar assemblies. It was found that the bakeout process generated additional defects at the CdTe/ HgCdTe interface and degraded photodiode parameters such as zero bias impedance, dark current, and photocurrent. Annealing at 220°C under a Hg vapor pressure following the CdTe deposition suppressed the interface defect generation process during bakeout and stabilized HgCdTe photodiode performance.     

Heteroepitaxy of HgCdTe (211)B on Ge substrates by molecular beam epitaxy for infrared detectors

Epitaxial growth of (211)B CdTe/HgCdTe has been achieved on two inch germanium (Ge) by molecular beam epitaxy (MBE). Germanium was chosen as an alternative substrate to circumvent the weaknesses of CdZnTe wafers. The ease of surface preparation makes Ge an attractive candidate among many other alternative substrates. Best MBE CdTe growth results were obtained on (211) Ge surfaces which were exposed to arsenic and zinc fluxes prior to the MBE growth. This surface preparation enabled CdTe growth with B-face crystallographic polarity necessary for the HgCdTe growth. This process was reproducible, and produced a smooth and mirror-like surface morphology. The best value of the {422} x-ray double diffraction full width at half maximum measured from the HgCdTe layer was 68 arc-s. We present the 486 point maps of FWHM statistical values obtained from CdTe/Ge and HgCdTe/CdTe/Ge. High resolution microscopy electron transmission and secondary ion mass spectroscopy characterization results are also presented in this paper. High-performance middle wavelength infrared HgCdTe 32-element photodiode linear arrays, using the standard LETI/LIR planar n-on-p ion implanted technology, were fabricated on CdTe/Ge substrates. At 78K, photodiodes exhibited very high R₀A figure of merit higher than 10⁶ Ωcm⁻² for a cutoff wavelength of 4.8 μm. Excess low frequency noise was not observed below 150K.     

长波碲镉汞探测器RV特性分析

对硼离子注入制备的N on P平面结长波碲镉汞探测器的RV曲线进行分析,研究不同偏压下暗电流机制,提取得到探测器的电学参数及理想因子,表明为提升器件性能,需要对探测器的陷阱辅助隧穿电流及产生复合电流进行抑制。通过对长波碲镉汞探测器RV曲线的拟合分析,表明RV拟合技术作为一种有效的分析方法,可用于评估器件性能和工艺状态,并指导工艺改进。     

Arsenic-doped mid-wavelength infrared HgCdTe photodiodes

The recently developed Te-rich, liquid-phase-epitaxy growth technology for low arsenic-doped mid-wavelength infrared (MWIR) HgCdTe with p-type doping concentrations <10¹⁵ cm⁻³ has enabled the fabrication of n⁺/p photodiodes using the damage associated with a boron ion implantation. The diode properties are presented and compared to similar diodes fabricated in p-HgCdTe doped with Group IBs. The attraction of the arsenic-doped diode technology is associated with the fact that the arsenic resides on the Te sublattice and is immune to the Hg interstitial fluxes that are present in the diode-formation process. This leads to minimal diode spread, limited primarily to the n⁺ region and, hence, a potential for use in really high-density infrared focal planes. At the same time, the Hg interstitials generated in the diode-formation process should purge the photodiode volume of fast diffusing species, resulting in a high-quality, diode-depletion region devoid of many Shockley-Read recombination centers. These aspects of diode formation in this material are discussed.