CN101740662B - 碲镉汞红外焦平面芯片的碲化镉原位钝化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碲镉汞(HgCdTe)红外焦平面芯片的碲化镉原位钝化方法，它涉及光电探测器制造工艺技术。本发明采用在由分子束外延生长碲镉汞红外探测材料的终点时，于碲镉汞薄膜表面先原位生长一层碲化镉薄膜，并在碲镉汞红外探测芯片制备过程中对需要钝化区域的碲化镉薄膜不予以破坏的碲化镉原位钝化的技术方案，有效解决了常规碲化镉钝化方法会造成碲镉汞红外焦平面探测芯片探测性能损失和工艺稳定性低的问题。本发明方法具有工艺简单、操作便捷、稳定性高和钝化效果好的特点。

Description

碲镉汞红外焦平面芯片的碲化镉原位钝化方法
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)红外焦平面探测器探测芯片的碲化镉原位钝化方法。
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 cooled imagers”，proceeding of SPIE，Vo1.5074，2003，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。
由于晶格结构与碲镉汞近似，碲化镉介质膜是碲镉汞红外焦平面探测器非常理想的钝化选择。碲镉汞红外焦平面探测器碲化镉钝化的传统制作方法是在红外探测芯片的制作过程中，通过碲化镉薄膜生长和电极开口的方法形成的。但是，碲镉汞红外探测芯片在整个芯片制作过程中，其新鲜表面在生长碲化镉钝化膜之前会短暂地或长时间地暴露在空气，因而造成碲镉汞探测芯片表面被氧化和沾污中。这会损失碲镉汞红外焦平面探测芯片部分的钝化性能，并影响器件工艺的稳定性。
发明内容
基于上述已有碲镉汞红外焦平面探测芯片碲化镉钝化方法存在的问题，本发明的目的是提供一种工艺简单、稳定性高和钝化效果好的碲镉汞红外焦平面探测芯片的碲化镉钝化方法。
为了达到上述目的，本发明采用在由分子束外延生长碲镉汞红外探测材料的终点时，于碲镉汞薄膜表面先原位生长一层碲化镉薄膜并在碲镉汞红外探测芯片制备过程中对需要钝化区域的碲化镉薄膜不予以破坏的碲化镉原位钝化的技术方案。
本发明在碲化镉原位钝化的碲镉汞红外探测芯片的制作过程中，先采用光刻掩模和湿化学腐蚀技术来去除形成p-n结的离子注入区域碲化镉薄膜，再进行成结的离子注入和信号引出的金属化。由于，离子注入型碲镉汞红外探测芯片p-n结面积明显远大于离子注入面积。所以，探测芯片列阵信号引出的金属化可以直接生长在离子注入区域，而非离子注入区域未被破坏的原位碲化镉薄膜也就可以作为碲镉汞探测芯片的钝化膜。
上述技术方案的碲镉汞红外焦平面探测芯片的碲化镉原位钝化方法如下：
A.采用分子束外延技术生长碲镉汞红外探测材料工艺完成后，直接在碲镉汞红外探测材料表面原位生长一层碲化镉薄膜，薄膜厚度为1000-4000
B.采用传统的光刻技术，在HgCdTe红外焦平面探测芯片表面制作用于限定离子注入区域的光刻胶掩蔽膜图形，掩蔽膜厚度为1-3μm，掩蔽膜图形限定的离子注入区为正方形列阵，正方形边长为10-30μm。
C.利用湿化学腐蚀的方法，将光刻胶掩蔽膜图形限定的离子注入区域原位碲化镉薄膜腐蚀掉，选用的腐蚀液是硝酸、氢氟酸和水混合液，它们间的体积配比硝酸∶氢氟酸∶水为5∶1∶100-300，腐蚀时间为5-10秒。
D.对已经暴露出碲镉汞的区域进行离子注入，离子注入的能量为100-300KeV，注入剂量为1×1015-5×1015cm-2。
E.采用双离子束镀膜方法，在离子注入区域制作信号引出的金属化层，金属化材料为金(Au)，厚度为100-300nm。
本发明的最大优点是：巧妙地利用离子注入p-n结面积远大于注入面积大的特殊性，在制备碲镉汞红外焦平面探测芯片时，只去除离子注入区域的原位碲化镉薄膜，而将非离子注入区域的原位碲化镉薄膜直接作为碲镉汞探测芯片的钝化膜。这种碲镉汞红外焦平面探测芯片的碲化镉原位钝化方法，具有工艺简单、操作便捷、稳定性高和钝化效果好的特点。
附图说明
图1是本发明完成碲化镉原位钝化的的工艺流程示意图，(a)图为碲镉汞焦平面探测芯片原位生长有碲化镉介质膜的情况；(b)图为获得的用于限定离子注入区域的光刻胶掩蔽膜图形情况；(c)图为完成去除离子注入区域碲化镉介质膜的情况；(d)图为碲镉汞红外焦平面探测芯片进行离子注入的情况；(e)图为去除光刻胶掩蔽膜图形后碲化镉原位钝化的碲镉汞红外焦平面探测芯片的情况。
图2是采用碲化镉非原位钝化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是本发明采用碲化镉原位钝化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.采用分子束外延技术，在生长碲镉汞红外探测材料1的终点时，于碲镉汞薄膜102表面先原位生长一层碲化镉薄膜2，薄膜厚度为2000
Figure GSB00000440463900041
B.采用传统的光刻技术，在HgCdTe红外焦平面探测芯片表面制作用于限定离子注入区域的光刻胶掩蔽膜图形3，掩蔽膜厚度为1-3μm，掩蔽膜图形限定的离子注入区为正方形列阵，正方形边长为20μm。
C.利用湿化学腐蚀的方法，将光刻胶掩蔽膜图形限定的离子注入区域原位碲化镉薄膜腐蚀掉，选用的腐蚀液是硝酸、氢氟酸和水混合液，它们间的体积配比硝酸∶氢氟酸∶水为5∶1∶200，腐蚀时间为8秒。
D.对已经暴露出碲镉汞的区域进行离子注入，形成碲镉汞红外焦平面探测芯片的p-n结103。其中，离子注入的能量为200KeV，注入剂量为3×1015cm-2。
E.采用双离子束镀膜方法，在离子注入区域制作信号引出的金属化层104，金属化材料为金(Au)，厚度为200nm。然后，进行后续的碲镉汞红外焦平面探测器的制作。
图2和图3分别为碲化镉常规钝化和碲化镉原位钝化的碲镉汞红外焦平面探测芯片光电p-n结的I-V与R-V特性图。图2和图3样品仅在制备碲化镉钝化膜的方法和相应的工艺上有微小的差别。如图2、3所示，碲化镉原位钝化的碲化镉红外焦平面探测芯片光电p-n结的暗电流明显减小，相应的零偏动态阻抗提高了2-3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。这表明碲化镉原位钝化对提高碲镉汞红外焦平面探测芯片光电性能有明显的作用。
由于本发明与离子注入型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、操作快捷和稳定性高，表明本发明碲化镉原位钝化的碲镉汞红外焦平面探测芯片的制作方法是可行的、合理的。

Claims (1)

1.一种碲镉汞红外焦平面芯片的碲化镉原位钝化方法，其特征在于包括以下步骤：
A.采用分子束外延技术生长碲镉汞红外探测材料工艺完成后，直接在碲镉汞红外探测材料表面原位生长一层碲化镉薄膜，薄膜厚度为1000-4000
Figure FSB00000440463800011
B.采用传统的光刻技术，在碲镉汞红外焦平面探测芯片表面制作用于限定离子注入区域的光刻胶掩蔽膜图形，掩蔽膜厚度为1-3μm，掩蔽膜图形限定的离子注入区为正方形列阵，正方形边长为10-30μm；
C.利用湿化学腐蚀的方法，将光刻胶掩蔽膜图形限定的离子注入区域原位碲化镉薄膜腐蚀掉，选用的腐蚀液是硝酸、氢氟酸和水混合液，它们间的体积配比硝酸∶氢氟酸∶水为5∶1∶100-300，腐蚀时间为5-10秒；
D.对已经暴露出碲镉汞的区域进行离子注入，离子注入的能量为100-300KeV，注入剂量为1×1015-5×1015cm-2；
E.采用双离子束镀膜方法，在离子注入区域制作信号引出的金属化层，金属化材料为金，厚度为100-300nm。
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