4 in InSb晶片加工技术研究

在红外探测领域,InSb材料已经大规模地被用于制造3～5 μm波长范围的焦平面阵列探测器。对更大规模、更高性能探测器的需求日益增长,而该类探测器需要在更大尺寸、更高质量的晶片上制备。所以,对4 in InSb晶片加工技术进行了研究。通过优化研磨、抛光工艺参数,最终获得总厚度偏差小于等于10 μm、翘曲度小于等于20 μm、表面粗糙度小于1 nm、表面质量优的4 in InSb晶片,提高了加工效率,能够满足大规模高质量红外焦平面探测器的使用需求。     

4英寸高质量InSb晶体生长研究

InSb晶体是制备中波红外探测器的重要材料。为了满足新一代超大规模阵列红外焦平面探测器的发展需求,开展了大尺寸InSb晶体的生长研究,解决了晶体生长的诸多关键技术,成功地生长出了直径为4 in的高质量InSb单晶,并加工出了高质量的4 in InSb抛光晶片。测试表明,直径大于120 mm的晶体长度超过100 mm,晶体位错密度小于100 cm^-2,其电学参数均匀,载流子浓度、载流子迁移率均满足制备高性能大规格红外焦平面探测器的要求。这为新一代超大规模阵列红外焦平面探测器的发展奠定了良好的材料基础。     

InSb晶片的表面状态参数研究

随着InSb红外探测器的不断发展,像元数不断增加,线宽不断减小;在 采用外延工艺生长衬底时,人们对InSb晶片表面状态的要求也越来越高。主要讨论了 InSb晶片的表面状态参数及其相关的测试方法,列举了一些相关标准以及国内外厂家和研究机构对 表面状态参数的关注点,并找到了下一步的研发方向。该研究为生产更大规格的焦平面 探测器、提高探测器性能的稳定性以及给外延生长提供优质衬底打好了基础。     

100 mm直径低位错密度InSb单晶生长研究

InSb是一种重要的中波红外探测器材料。为了满足更大规模、更高质量红外焦平面探测器的发展要求,对100 mm直径低位错密度InSb单晶的生长进行了研究。通过改良生长方法、优化籽晶、改进缩颈工艺、优化热场,最终获得位错密度小于等于100 cm-2、直径大于等于100 mm的大尺寸低位错密度InSb晶体。晶体沿晶棒从头到尾部的位错密度分布均匀,可用率高,能够满足大规模高质量红外焦平面探测器的使用需求。     

InSb焦平面探测器的J-T制冷器

论述了InSb红外探测器制冷的必要性及所需的制冷温度，分析了InSb焦平面探测器对制冷的要求比分立引出（或单元）探测器更为严格的原因，指出InSb焦平面探测器的制冷温度在77－90K区间，其探测率变化不大；在137K时，分立引出（或单元）InSb探测器仍有较高输出信噪比，但这时焦平面探测器的SNR却有较严重的下降。试验表明，采用J－T节流制冷器的InSb焦平面探测器可以实现高性能。     

锑化铟焦平面阵列的性能预测

由于锑化铟材料的工艺成熟、生产率令人满意及其优良性能,使它能在中波长(2-5.4μm)的红外系统中被优先选用。只是在超过130K温度下,InSb才不如其他探测器材料。为了实现在大阵列制式中InSb探测器固有的高性能,必须设计出一种低噪声、使InSb与焦平面电子学隔离及适合特殊应用的速率要求的读出装置。为了获得最高性能,读出装置必须有一个以上的简易开关矩阵。讨论了转换积分器和缓冲共栅极输入电路,并将它与一创新的斩波器-稳定器电路作比较。稳定电路是使用了载流子调制技术,将探测器信号向上转换成较高的频率,其中MO-SFFT的1/f噪声很低。对质量不同的InSb探测器与为提高工作温度(>100K)的探测器阻抗匹配而专门设计的斩波器-稳定读出装置相接的焦平面性能作了预测。     

高质量5 in InSb单晶生长

锑化铟(InSb)焦平面探测器是中波红外探测领域应用广泛的一种探测器。作为制备探测器的基础,InSb晶体材料的质量和性能显得尤为重要。近年来InSb晶体材料在向高质量大尺寸方向发展。通过多举措坩埚设计和温场条件设计,采用直拉法生长了直径大于135 mm的InSb单晶。测试结果表明,5 in晶片的位错腐蚀坑密度小于50 cm^-2,双晶衍射峰的半峰宽为8.32 arcsec,晶体具有相当好的完整性。通过优化生长工艺参数,晶体生长过程中具有较为平坦的固液界面,表现出良好的径向电学均匀性。这为制备低成本和超大规模InSb红外探测器阵列奠定了基础。     

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。     

锑化铟红外焦平面探测器发展现状

近年来,红外探测器技术发展迅速,在国防、气象、红外遥感和航空航天等众多领域应用广泛。作为中波红外波段最重要的探测器之一,锑化铟(InSb)红外焦平面探测器具有量子效率极高、暗电流小、器件响应线性度高、稳定性好、灵敏度极高等特点,因此备受人们的关注和重视。InSb焦平面探测器性价比高,优势十分突出,其快速发展在很大程度上提高了红外整机性能,同时还覆盖了导弹精确制导、卫星预警探测、机载搜索侦察、红外成像及消防、医疗、电力检测、工业测温等军民两用领域。梳理了国外发达国家在InSb红外焦平面探测器方面的研究情况,分析了其发展方向并对发展前景及趋势进行了展望。     

InSb的电感耦合等离子体刻蚀技术研究

随着InSb红外焦平面探测器的发展,焦平面阵列规模越来越大,像元面积越来越小.湿法刻蚀因其各向同性的特点,导致像元钻蚀严重,越来越难满足大规格InSb焦平面器件的要求.研究了以Ar/CH4/H2作为刻蚀气体,利用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀大规格InSb晶片的初步研究结果,研究不同RF功率、腔体压力和Ar的含量对刻蚀速率、表面形貌的影响及InSb表面残留聚合物的去除方法.     

高斯激光辐照焦平面探测器温度场分析与仿真

为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。     

锑化铟晶片的电学均匀性研究

锑化铟焦平面探测器是红外成像系统的重要组成部分,对红外成像的成本和性能都有重要影响。锑化铟晶片的质量及均匀性决定了探测器的性能。通过霍尔效应测试、低温探针法以及微波光电导衰退法研究了锑化铟晶片的电学性能均匀性。结果表明,所制备的锑化铟晶片的载流子浓度和电子迁移率的面分布较均匀,但低温电阻率以及少子寿命的分布呈现较小的非均匀性变化,这主要与锑化铟生长过程中的杂质分凝有关。     

CdZnTe substrate producibility and its impact on IRFPA yield

The need for cost effective production of HgCdTe infrared detectors and focal plane assemblies has led to increased attention to the availability of high quality large-area CdZnTe substrates. Reasonable yield of large-area substrates (≥4 cm×6 cm format) is necessary for fabrication of focal plane assemblies (FPAs) now in production, and for future infrared (IR) detectors which are growing in size and complexity. Raytheon’s infrared materials producibility (IRMP) program has addressed this issue, after identifying critical drivers of FPA yield coming from substrates, and targeted certain improvements in substrate process steps for highest impact on large-area substrate yield. Three specific areas of improvements in the substrate process were addressed: (1) compounding of a large 6 kg charge of CdTe; (2) vertical Bridgman growth of 92 mm diameter CdZnTe boules in both quartz and pyrolytic boron nitride (PBN) crucibles; and (3) optimized Cd overpressure control during growth and cool-down of the boule. It was shown that the Cd overpressure and the cooling schedule had the strongest effects on defect populations. The resulting improvements include a 33% increase in wafer yield per unit starting weight, an estimated 50% reduction in substrate cost per cm², better morphology of epitaxial HgCdTe layers, and improved yield of satisfactory IR detectors. The criteria for selecting substrates have also improved as a result of this work. In addition, photovoltaic detectors were fabricated on wafers from a variety of sources, and tested. Results compare favorably with those on baseline (earlier process) substrates.     

大直径高质量锑化铟单晶的生长研究

锑化铟单晶是制备3μm～5μm红外探测器的重要材料.为了适应红外焦平面探测器大规模化发展的趋势,我们开展了高质量3in锑化铟单晶的生长研究.本文解决了大直径锑化铟单晶生长的关键技术,讨论了3in锑化铟单晶生长过程中的多晶原料提纯问题,以及单晶电性能参数控制、位错密度控制和直径控制问题,并采用Czochraski法成功地在国内首次生长出直径为3in的锑化铟单晶.其中,直径大于3in的单晶长度超过100mm,单晶的位错密度小于100cm-2.试验结果表明:相对于其他半导体单晶生长位错密度沿晶棒增大的分布规律,我们得到的锑化铟单晶位错密度沿晶棒从头至尾递减,单晶尾部位错密度可小于50cm-2;同时单晶的电子迁移率、载流子浓度均满足制备高性能大规格红外焦平面探测器的要求.     

分子束外延InSb薄膜缺陷分析

实现高温工作已经成为了第三代红外探测器的重要发展方向。为了达到这个目标,首先要降低探测器材料的各种缺陷。本文主要研究了不同生长条件对InSb分子束外延薄膜的晶体质量的影响,并采用金相显微镜、X射线双晶衍射仪、扫描电子显微镜及X射线能谱仪等检测手段对外延膜缺陷进行了研究,综合分析了各缺陷的特征、起因、消除方法等。通过优化外延条件,外延膜宏观生长缺陷最低值达到483 cm-2。     

InSb红外焦平面探测器十字盲元问题的研究

InSb红外焦平面探测器在中波红外波段占据重要地位,但十字盲元问题严重降低了探测器的性能。通过聚焦离子束定位剥离手段,发现了十字盲元区域的铟凸点失效。进一步检测发现,铟凸点制备参数欠佳。通过改进铟凸点形状和增加高度,加强了焊接面的牢固度。此后发现极少InSb器件存在十字盲元问题。在80℃下对铟凸点改进后的InSb红外器件进行了14天烘烤。经测试,十字盲元数目保持不变,铟凸点的可靠性较好。改进铟凸点制备技术可有效解决十字盲元问题。互连失效是十字盲元问题的主要原因。以此类推,该方法可解决所有InSb红外器件的十字盲元问题。