碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究
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本文通过液相外延生长的高质量碲镉汞外延薄 膜材料，并采用 ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双层钝化工艺进行了碲 镉汞高温中波红外探测器的制备研究。 ２ 试 验
本试验 所 用 的 ＭＣＴ材 料 为 在 碲 锌 镉 （ＣＺＴ） 衬底（Ｚｎ组分 ４％，（１１１）Ｂ面）上 经 富 碲 液 相 外 延（ＬＰＥ）生 长 的 中 波 ＭＣＴ薄 膜 材 料，ＭＣＴ外 延 材 料 Ｃｄ组 分 ｘ≈０３，液 氮 温 度 下 所 对 应 的 截 止 波长 λＣ 为 ４８μｍ。 ＭＣＴ材 料 经 富 碲 ＬＰＥ生 长 后进行弱 Ｐ型退火热 处 理，热 处 理 后 测 得 液 氮 温 度下的空穴浓度为 ３～９×１０１５ ｃｍ－３、空穴迁移率 为 ４５０～５２０ｃｍ２／（Ｖ· ｓ），热 处 理 后 的 样 品 使 用 Ｓｃｈａａｋｅ腐蚀剂 腐 ［１０］ 蚀 后 测 得 的 位 错 密 度 ＜３× １０４ ｃｍ－２。采 用 热 蒸 发 设 备 生 长 ３０００? 厚 的 ＣｄＴｅ钝 化 膜 ［１１］，ＣｄＴｅ钝 化 后 的 ＭＣＴ材 料 在 氢 气气氛的保护下退火热处理。硼离子注入形成 ｐｎ结后 在 电 子 束 蒸 发 设 备 中 生 长 ３０００? 厚 的 ＺｎＳ钝化膜。采 用 光 刻、湿 法 刻 蚀 完 成 金 属 化 开 口、金属 化 沉 积 等 一 系 列 工 艺 制 备 了 ＭＣＴ光 电 二极管阵 列，其 中 面 阵 规 格 ６４０×５１２＠１５μｍ。 其 中 ，金 属 化 开 口 采 用 全 湿 法 刻 蚀 ：ＺｎＳ钝 化 层 由 浓盐酸腐蚀 开 孔，ＣｄＴｅ腐 蚀 液 由 重 铬 酸 钾、氢 氟 酸、硝酸、去 离 子 水 按 照 一 定 的 比 例 配 制 而 成。 ＣｄＴｅ腐蚀液对 ＺｎＳ钝 化 层 的 腐 蚀 速 率 为 ５０?／ｓ 左右，对 ＣｄＴｅ钝 化 膜 的 腐 蚀 速 率 为 ３００?／ｓ左 右，对 ＭＣＴ外延 层 的 腐 蚀 速 率 为 ５?／ｓ左 右，对 ＣｄＴｅ钝化 膜 腐 蚀 的 选 择 比 较 高，满 足 湿 法 开 孔 的要求。Ｐ、Ｎ区 电 极 分 别 采 用 Ｃｒ／Ａｕ、Ｓｎ／Ａｕ作 为接触金属。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｓｔｕｄｙｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ６４０×５１２＠１５μｍ ＨＯＴＭＷ ＨｇＣｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｗｉｔｈＣｄＴｅ／ ＺｎＳｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｆｉｌｍｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｎｎｅａｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅＣｄＴｅ／ＭＣＴｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙｏｆＣｄＴｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｆｉｌｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄＴｈｅＨＯＴＭＷ ＨｇＣｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｃａｎｗｏｒｋａｔ１２５Ｋｓｔｅａｄｉｌｙ，ｂｕｔ ｔｈｅｒｅｉｓｓｔｉｌｌａｇａｐｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｏｒｅｉｇｎｃｏｕｎｔｒｉｅｓＳｏｏｎｌｙｂｙｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｎＭＣＴｍａｔｅｒｉａｌｉｍ ｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｉｃｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｇＣｄＴｅＨＯＴＭＷ；ＣｄＴｅ／ＺｎＳｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ
司等在碲镉 汞 高 温 中 波 探 测 器 上 的 研 究 进 展，并 报道 了 昆 明 物 理 研 究 所 基 于 ｎｏｎｐ（Ｈｇ空 位 ） ６４０×５１２＠ １５μｍ碲 镉 汞 中 波 探 测 器 的 ＨＯＴ测 试结果，发现该探测器可在 １１０Ｋ工作，但与国外 同类探测器相比仍然存在不小的差距。碲镉汞红 外探测器高温工作的主要问题在于随着焦平面工 作温度的提 高，使 得 与 低 频 噪 声 相 关 的 缺 陷 数 量 会增加，这个问题可以通过提高材料的质量，并 优 化碲镉 汞 芯 片 加 工 工 艺 来 解 决，法 国 ｓｏｆｒａｄｉｒ通 过这种工艺改进，提 高 ｎｏｎｐ（Ｈｇ空 位）ＳＣＯＲＰＩ Ｏ６４０×５１２＠１５μｍ型 中 波 红 外 焦 平 面 的 工 作
作者简介：杨朝臣（１９８５－），男，主要从事红外半导体材料与器件工艺研究。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｃｃ＠１６３ｃｏｍ 收稿日期：２０１８０８０３；修订日期：２０１８０８２８
激 光 与 红 外 Ｎｏ．２ ２０１９ 杨朝臣等 碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究
２０５
温度 至 １３０Ｋ（λＣ ＝５μｍ，ＮＥＴＤ≤ ２２ｍＫ）［３］。 有研 究 表 ［４－９］ 明：采 用 ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双 层 钝 化 工 艺 能有效地降低碲镉 汞 器 件 的 表 面 漏 电 流，可 提 高 芯片的工作性能。
１ 引 言 制冷红外 探 测 器 性 能 优 异，有 着 广 泛 的 军 事
和民用用途。但是由于芯片需要工作在 ８０Ｋ左右 的 低 温 环 境 下 ，因 此 必 须 使 用 制 冷 机 ，这 带 来 的 劣 势 就 是 体 积 大 、重 量 大 、功 耗 高 以 及 成 本 高 。 降 低 探 测 器 重 量 、功 耗 、体 积 及 成 本 是 碲 镉 汞 红 外 探 测 器发展趋势，关 键 解 决 方 案 之 一 就 是 提 高 碲 镉 汞 红外 探 测 器 芯 片 的 工 作 温 度 ［１］。 周 连 军 ［２］等 对 高 温碲镉汞中波红外探测器的国内外进展进行了总 结，主要介绍了法国 ｓｏｆｒａｄｉｒ公司、美国 Ｔｅｌｅｄｙｎｅ公 司、德国 ＡＩＭ 公 司、英 国 Ｓｅｌｅｘ公 司、美 国 ＤＲＳ公
第 ４９卷 第 ２期 激 光 与 红 外 ２０１９年 ２月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．２ ＦｅｂｒｕFra Baidu bibliotekｒｙ，２０１９
文章编号：１００１５０７８（２０１９）０２０２０４０５
·红外材料与器件·
碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究
杨朝臣，张冰洁，杜 宇，陈晓静，周文洪，刘 斌，黄 立，张传杰
（武汉高芯科技有限公司，湖北 武汉 ４３０２０５）
摘 要：采用 ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双层钝化工艺制备了 ６４０×５１２＠１５μｍ碲镉汞中波探测器。研究了 退火温度对 ＣｄＴｅ／ＭＣＴ界面及 ＣｄＴｅ钝化膜质量的影响。经测试表明：本公司制备的碲镉汞 ＨＯＴ中波探测器可以在 １２５Ｋ稳定工作，但与国外的先进技术相比仍存在差距，需要在 ＭＣＴ 材料改进和器件加工工艺上继续深入研究，才能提高探测器的工作温度和稳定性。 关键词：碲镉汞；高温中波；ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双层钝化；红外探测器 中图分类号：ＴＮ２１５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０１９．０２．０１３
ＡｓｔｕｄｙｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅＨｇＣｄＴｅＨＯＴＭＷ ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ
ＹＡＮＧＺｈａｏｃｈｅｎ，ＺＨＡＮＧＢｉｎｇｊｉｅ，ＤＵＹｕ，ＣＨＥＮＸｉａｏｊｉｎｇ，ＺＨＯＵＷｅｎｈｏｎｇ， ＬＩＵＢｉｎ，ＨＵＡＮＧＬｉ，ＺＨＡＮＧＣｈｕａｎｊｉｅ
（ＷｕｈａｎＧｌｏｂａｌＳｅｎｓｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣＯ，ＬＴＤ，Ｈｕｂｅｉ４３０２０５，Ｃｈｉｎａ）
本试验 所 用 的 ＭＣＴ材 料 为 在 碲 锌 镉 （ＣＺＴ） 衬底（Ｚｎ组分 ４％，（１１１）Ｂ面）上 经 富 碲 液 相 外 延（ＬＰＥ）生 长 的 中 波 ＭＣＴ薄 膜 材 料，ＭＣＴ外 延 材 料 Ｃｄ组 分 ｘ≈０３，液 氮 温 度 下 所 对 应 的 截 止 波长 λＣ 为 ４８μｍ。 ＭＣＴ材 料 经 富 碲 ＬＰＥ生 长 后进行弱 Ｐ型退火热 处 理，热 处 理 后 测 得 液 氮 温 度下的空穴浓度为 ３～９×１０１５ ｃｍ－３、空穴迁移率 为 ４５０～５２０ｃｍ２／（Ｖ· ｓ），热 处 理 后 的 样 品 使 用 Ｓｃｈａａｋｅ腐蚀剂 腐 ［１０］ 蚀 后 测 得 的 位 错 密 度 ＜３× １０４ ｃｍ－２。采 用 热 蒸 发 设 备 生 长 ３０００? 厚 的 ＣｄＴｅ钝 化 膜 ［１１］，ＣｄＴｅ钝 化 后 的 ＭＣＴ材 料 在 氢 气气氛的保护下退火热处理。硼离子注入形成 ｐｎ结后 在 电 子 束 蒸 发 设 备 中 生 长 ３０００? 厚 的 ＺｎＳ钝化膜。采 用 光 刻、湿 法 刻 蚀 完 成 金 属 化 开 口、金属 化 沉 积 等 一 系 列 工 艺 制 备 了 ＭＣＴ光 电 二极管阵 列，其 中 面 阵 规 格 ６４０×５１２＠１５μｍ。 其 中 ，金 属 化 开 口 采 用 全 湿 法 刻 蚀 ：ＺｎＳ钝 化 层 由 浓盐酸腐蚀 开 孔，ＣｄＴｅ腐 蚀 液 由 重 铬 酸 钾、氢 氟 酸、硝酸、去 离 子 水 按 照 一 定 的 比 例 配 制 而 成。 ＣｄＴｅ腐蚀液对 ＺｎＳ钝 化 层 的 腐 蚀 速 率 为 ５０?／ｓ 左右，对 ＣｄＴｅ钝 化 膜 的 腐 蚀 速 率 为 ３００?／ｓ左 右，对 ＭＣＴ外延 层 的 腐 蚀 速 率 为 ５?／ｓ左 右，对 ＣｄＴｅ钝化 膜 腐 蚀 的 选 择 比 较 高，满 足 湿 法 开 孔 的要求。Ｐ、Ｎ区 电 极 分 别 采 用 Ｃｒ／Ａｕ、Ｓｎ／Ａｕ作 为接触金属。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｓｔｕｄｙｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ６４０×５１２＠１５μｍ ＨＯＴＭＷ ＨｇＣｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｗｉｔｈＣｄＴｅ／ ＺｎＳｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｆｉｌｍｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆａｎｎｅａｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｔｈｅＣｄＴｅ／ＭＣＴｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙｏｆＣｄＴｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎｆｉｌｍｗａｓｓｔｕｄｉｅｄＴｈｅＨＯＴＭＷ ＨｇＣｄＴｅｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒｃａｎｗｏｒｋａｔ１２５Ｋｓｔｅａｄｉｌｙ，ｂｕｔ ｔｈｅｒｅｉｓｓｔｉｌｌａｇａｐｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｆｏｒｅｉｇｎｃｏｕｎｔｒｉｅｓＳｏｏｎｌｙｂｙｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｎＭＣＴｍａｔｅｒｉａｌｉｍ ｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｖｉｃｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨｇＣｄＴｅＨＯＴＭＷ；ＣｄＴｅ／ＺｎＳｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｓｓｉｖａｔｉｏｎ；ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ
司等在碲镉 汞 高 温 中 波 探 测 器 上 的 研 究 进 展，并 报道 了 昆 明 物 理 研 究 所 基 于 ｎｏｎｐ（Ｈｇ空 位 ） ６４０×５１２＠ １５μｍ碲 镉 汞 中 波 探 测 器 的 ＨＯＴ测 试结果，发现该探测器可在 １１０Ｋ工作，但与国外 同类探测器相比仍然存在不小的差距。碲镉汞红 外探测器高温工作的主要问题在于随着焦平面工 作温度的提 高，使 得 与 低 频 噪 声 相 关 的 缺 陷 数 量 会增加，这个问题可以通过提高材料的质量，并 优 化碲镉 汞 芯 片 加 工 工 艺 来 解 决，法 国 ｓｏｆｒａｄｉｒ通 过这种工艺改进，提 高 ｎｏｎｐ（Ｈｇ空 位）ＳＣＯＲＰＩ Ｏ６４０×５１２＠１５μｍ型 中 波 红 外 焦 平 面 的 工 作
作者简介：杨朝臣（１９８５－），男，主要从事红外半导体材料与器件工艺研究。Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｃｃ＠１６３ｃｏｍ 收稿日期：２０１８０８０３；修订日期：２０１８０８２８
激 光 与 红 外 Ｎｏ．２ ２０１９ 杨朝臣等 碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究
２０５
温度 至 １３０Ｋ（λＣ ＝５μｍ，ＮＥＴＤ≤ ２２ｍＫ）［３］。 有研 究 表 ［４－９］ 明：采 用 ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双 层 钝 化 工 艺 能有效地降低碲镉 汞 器 件 的 表 面 漏 电 流，可 提 高 芯片的工作性能。
１ 引 言 制冷红外 探 测 器 性 能 优 异，有 着 广 泛 的 军 事
和民用用途。但是由于芯片需要工作在 ８０Ｋ左右 的 低 温 环 境 下 ，因 此 必 须 使 用 制 冷 机 ，这 带 来 的 劣 势 就 是 体 积 大 、重 量 大 、功 耗 高 以 及 成 本 高 。 降 低 探 测 器 重 量 、功 耗 、体 积 及 成 本 是 碲 镉 汞 红 外 探 测 器发展趋势，关 键 解 决 方 案 之 一 就 是 提 高 碲 镉 汞 红外 探 测 器 芯 片 的 工 作 温 度 ［１］。 周 连 军 ［２］等 对 高 温碲镉汞中波红外探测器的国内外进展进行了总 结，主要介绍了法国 ｓｏｆｒａｄｉｒ公司、美国 Ｔｅｌｅｄｙｎｅ公 司、德国 ＡＩＭ 公 司、英 国 Ｓｅｌｅｘ公 司、美 国 ＤＲＳ公
第 ４９卷 第 ２期 激 光 与 红 外 ２０１９年 ２月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．２ ＦｅｂｒｕFra Baidu bibliotekｒｙ，２０１９
文章编号：１００１５０７８（２０１９）０２０２０４０５
·红外材料与器件·
碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究
杨朝臣，张冰洁，杜 宇，陈晓静，周文洪，刘 斌，黄 立，张传杰
（武汉高芯科技有限公司，湖北 武汉 ４３０２０５）
摘 要：采用 ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双层钝化工艺制备了 ６４０×５１２＠１５μｍ碲镉汞中波探测器。研究了 退火温度对 ＣｄＴｅ／ＭＣＴ界面及 ＣｄＴｅ钝化膜质量的影响。经测试表明：本公司制备的碲镉汞 ＨＯＴ中波探测器可以在 １２５Ｋ稳定工作，但与国外的先进技术相比仍存在差距，需要在 ＭＣＴ 材料改进和器件加工工艺上继续深入研究，才能提高探测器的工作温度和稳定性。 关键词：碲镉汞；高温中波；ＣｄＴｅ／ＺｎＳ双层钝化；红外探测器 中图分类号：ＴＮ２１５ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０１９．０２．０１３
ＡｓｔｕｄｙｏｆｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅＨｇＣｄＴｅＨＯＴＭＷ ｉｎｆｒａｒｅｄｄｅｔｅｃｔｏｒ
ＹＡＮＧＺｈａｏｃｈｅｎ，ＺＨＡＮＧＢｉｎｇｊｉｅ，ＤＵＹｕ，ＣＨＥＮＸｉａｏｊｉｎｇ，ＺＨＯＵＷｅｎｈｏｎｇ， ＬＩＵＢｉｎ，ＨＵＡＮＧＬｉ，ＺＨＡＮＧＣｈｕａｎｊｉｅ
（ＷｕｈａｎＧｌｏｂａｌＳｅｎｓｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣＯ，ＬＴＤ，Ｈｕｂｅｉ４３０２０５，Ｃｈｉｎａ）