CN101719505A - 碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的植氢优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面列阵器件钝化界面的植氢优化方法，它涉及光电探测器制造工艺技术。本发明采用直接将生长完碲化镉/硫化锌(CdTe/ZnS)复合介质钝化膜后的HgCdTe红外焦平面探测器光敏感元芯片，放置在真空腔体内进行低能等离子体植氢处理的钝化界面优化的技术方案，有效解决了碲镉汞红外焦平面钝化界面存在过多的未饱和悬挂键、界面电荷的问题。本发明方法具有工艺简单、操作快捷、可控性好和稳定性高的特点。

Description

碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的植氢优化方法

技术领域

本发明涉及光电探测器件制造工艺技术，具体是指碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面列阵器件的光敏感元芯片钝化界面的植氢优化方法。

背景技术

红外焦平面列阵器件是既具有红外信息获取又具有信息处理功能的先进的成像传感器，在空间对地观测、光电对抗、机器人视觉、搜索与跟踪、医用和工业热成像、以及导弹精确制导等军、民用领域有重要而广泛的应用。由于其不可替代的地位和作用，世界上的主要工业大国都将碲镉汞红外焦平面列阵器件制备技术列为重点发展的高技术项目。

在高级红外应用系统的大力驱动下，红外探测技术已进入了以大面阵、小型化和多色化等为特点的第三代红外焦平面探测器的重要发展阶段(见S.Horn，P.Norton，T.Cincotta，A.Stoltz，et al，“Challenges for third-generation cooledimagers”，proceeding ofSPIE，Vol.5074，2003，P44-51)。高级红外成像的高分辨率探测迫使新一代红外焦平面探测器向大面阵、小型化趋势的发展，要求红外探测光敏感元列阵的像元尺寸不断缩小。这对碲镉汞红外焦平面光伏探测器而言，必须通过改善表面钝化质量来提高离子注入p-n结的电学特性，以确保高密度小像元尺寸红外探测器仍然有高的响应率和探测率的等光电性能，进而确保小像元尺寸红外探测器在红外成像系统中的分辨率。

碲镉汞红外焦平面光伏探测器的表面钝化是碲镉汞红外探测芯片表面生长介质膜钝化层以起到绝缘的效果。而更为重要目的是通过表面钝化层中和探测芯片在表面的悬挂键，使探测芯片的能带在表面处尽可能接近平带。表面钝化的质量差会影响光敏感元二极管的电学特性，从而限制探测器的响应率和探测率等光电性能。

作为碲镉汞红外焦平面探测器常用的钝化方法，硫化锌或碲化镉介质膜可在碲镉汞红外探测芯片表面起到绝缘的效果，也能部分中和探测芯片在表面的悬挂键，使探测芯片的能带在表面处尽可能接近平带。但是，在红外焦平面光敏感元列阵芯片钝化界面难免还会存在一些未被中和的界面悬挂键，以及快态、慢态的界面电荷。这使常规钝化的碲镉汞红外焦平面探测器光敏感元列阵芯片钝化界面不可能真正处于平带，从而影响红外焦平面探测性能。

虽然，高温退火作为一种常用的碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的优化方法，能进一步提高介质钝化膜中和界面悬挂键，以及快态、慢态的界面钉扎电荷的效果，进而提高光敏感元二极管的光电特性。但是，高温退火存在单步工艺时间长、操作复杂和稳定性较差等问题。

发明内容

基于上述已有碲镉汞红外焦平面列阵芯片钝化界面的优化方法存在的问题，本发明的目的是提供一种工艺简单、操作快捷、可控性好和稳定性高的碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的优化方法。

为了达到上述目的，本发明采用直接将生长完碲化镉/硫化锌(CdTe/ZnS)复合介质钝化膜后的HgCdTe红外焦平面探测器光敏感元芯片，放置在真空腔体内进行低能等离子体植氢处理的钝化界面优化的技术方案。

本发明光敏感元芯片在生长完碲化镉/硫化锌(CdTe/ZnS)复合介质钝化膜后，直接进行低能等离子体植氢处理，可将低能量和小体积的原子氢、离子氢植入到碲镉汞光敏感元列阵芯片与碲化镉/硫化锌(CdTe/ZnS)复合介质钝化膜之间的界面上，以实现碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的优化。由于在整个碲镉汞红外光敏感元列阵芯片表面进行植氢处理，钝化界面优化工艺可无需重复光刻，工艺相当方便。低能量和小体积的原子氢、离子氢在植入到碲镉汞光敏感元列阵芯片与碲化镉/硫化锌(CdTe/ZnS)复合介质钝化膜之间的界面上后，不仅可以中和界面未饱和的悬挂键，还可以钉扎快态、慢态的界面电荷。所以，在生长完复合介质钝化膜后直接进行钝化界面植氢处理，可方便地达到优化碲镉汞红外光敏感元列阵芯片钝化界面的作用，从而提高红外探测器的光电特性。

上述技术方案的碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的植氢优化方法如下：

A.在生长完碲化镉/硫化锌复合介质钝化膜后，将光敏感元列阵芯片直接放置在普通的等离子体刻蚀机的真空样品台上。

B.启动等离子体，进行光敏感元列阵芯片的低能等离子体植氢处理。工艺气体选用氢气(H₂)和氩气(Ar)的混合气体，它们的体积配比氢气∶氩气为1-5∶10-20，等离子体产生功率为300-800W，控制等离子体刻蚀能量的射频功率为10-30W，腔体压力为2-8×10^-3Torr，样品台温度为0-20℃。

C.从等离子体刻蚀机的真空样品台上取出完成钝化界面植氢处理的光敏感元列阵芯片，进行后续的碲镉汞红外焦平面探测器的制作。

本发明的最大优点是：直接在生长完碲化镉/硫化锌复合介质钝化膜后进行碲镉汞红外焦平面探测芯片钝化界面的低能等离子体植氢来优化钝化界面状态，具有工艺简单、操作快捷、可控性好和稳定性高的特点。

附图说明

图1是本发明完成碲镉汞红外焦平面探测芯片钝化界面植氢优化的工艺流程示意图，其中(a)图为生长完碲化镉/硫化锌复合介质钝化膜的情况；(b)图为进行碲镉汞光敏感元列阵芯片钝化界面植氢处理的情况。

图2是未进行钝化界面植氢处理的碲镉汞红外探测芯片光电p-n结I-V和R-V特性图。

图3是本发明经过钝化界面植氢处理的碲镉汞红外探测芯片光电p-n结I-V和R-V特性图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

A.在生长完碲化镉/硫化锌复合介质钝化膜104后，将光敏感元列阵芯片1直接放置在普通的等离子体刻蚀机的真空样品台上。光敏感元列阵芯片1由衬底101、有源区102、光电二极管103和复合介质钝化膜104组成。

B.启动等离子体2，进行光敏感元列阵芯片1的低能等离子体植氢处理，以在光敏感元列阵芯片1获得优化的钝化界面105。工艺气体选用氢气(H₂)和氩气(Ar)的混合气体，它们的体积配比为3∶15，，等离子体产生功率为500W，控制等离子体刻蚀能量的射频功率为20W，腔体压力为5×10^-3Torr，样品台温度为10℃。

C.从等离子体刻蚀机的真空样品台上取出完成钝化界面植氢处理的光敏感元列阵芯片1。

D.进行后续的碲镉汞红外焦平面探测器的常规制作。

图2和图3分别为未经过和经过低能等离子体植氢处理的碲镉汞红外探测芯片光电p-n结的I-V与R-V特性图。图2和图3样品仅有的差别是有无经过低能等离子体植氢处理。如图2、3所示，经过低能等离子体植氢处理的红外探测芯片光电p-n结的暗电流明显减小，相应的零偏动态阻抗提高了4-5倍。特别是图3在电压的反偏区域，动态阻抗提高的更加明显。这表明低能等离子体植氢处理确实达到了对碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面实现优化的目的。

由于本发明与碲镉汞红外焦平面探测芯片加工工艺完全兼容，且具有工艺简单、操作快捷、可控性好和稳定性高的特点，表明本发明进行碲镉汞红外焦平面列阵器件低能等离子体植氢处理的钝化界面优化方法是可行的、合理的。

Claims (1)

1.一种碲镉汞红外焦平面列阵器件钝化界面的植氢优化方法，其特征包括以下步骤：

A.在生长完碲化镉/硫化锌复合介质钝化膜后，将光敏感元列阵芯片直接放置在普通的等离子体刻蚀机的真空样品台上；

B.启动等离子体，进行光敏感元列阵芯片的低能等离子体植氢处理，工艺气体选用氢气和氩气的混合气体，它们的体积配比氢气∶氩气为1-5∶10-20，等离子体产生功率为300-800W，控制等离子体刻蚀能量的射频功率为10-30W，腔体压力为2-8×10^-3Torr，样品台温度为0-20℃；

C.从等离子体刻蚀机的真空样品台上取出完成钝化界面植氢处理的光敏感元列阵芯片，进行后续的碲镉汞红外焦平面探测器的制作。

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