CN101958332A - 一种光电二极管n区结构优化的碲镉汞长波探测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电二极管n区结构优化的离子注入n+-on-p型碲镉汞(HgCdTe)红外长波(long-wavelength)光伏探测芯片，它涉及光电探测器件技术。本发明采用光电二极管n区由通过离子注入和低能等离子体优化形成的离子注入损伤修复区和光电二极管p-n结的推进区构成的n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片的结构方案，有效解决了传统HgCdTe红外焦平面列阵长波光伏探测芯片电学n区存在离子注入损伤和p-n结电场位于物理损伤区，而引起的光敏感元二极管动态阻抗和探测性能下降的问题。本发明具有结构集成度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器件技术，具体是指一种光电二极管n区结构优化的离子注入n+-on-p型碲镉汞(HgCdTe)红外长波(long-wavelength)光伏探测芯片。
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A.Rogalski，J.Antoszewski，and L.Faraone，“Third-generation infrared photodetectorarrays”，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，2009，105(09)：091101-1)。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。这对离子注入型碲镉汞红外焦平面长波光伏探测芯片而言，必须不断提高离子注入光电二极管的电学特性，以提高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。
离子注入型碲镉汞红外焦平面探测器是由p型碲镉汞薄膜材料通过选择性离子注入来获得的。但光敏感元光电二极管列阵的n区不是由离子注入的杂质直接参与掺杂的，而是由在离子注入过程中物理损伤诱发的。因而，这些电学n区存在的离子注入损伤和p-n结电场位于物理损伤区的问题，从而导致离子注入型长波光伏探测芯片的光电二极管动态阻抗和探测性能的下降。
发明内容
基于上述已有离子注入n+-on-p型碲镉汞红外长波光伏探测芯片存在的问题，本发明的目的是提供一种光电二极管n区结构优化的HgCdTe红外长波光伏探测芯片。
为了达到上述目的，本发明采用光电二极管n区由通过离子注入和低能等离子体优化形成的离子注入损伤修复区和光电二极管p-n结的推进区构成的n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片的结构方案。
本发明的光电二极管n区结构优化的离子注入n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片包括：红外衬底1、光敏感元的p型有源区2、光敏感元的n型区3、p型区表面的公共电极4、n型区表面上的光敏感元电极5、探测芯片的钝化介质膜6和与读出电路混成互连的铟柱列阵7。光敏感元的n型区3列阵与光敏感元的p型有源区2组成红外长波光伏探测芯片的光电二极管列阵。其中，光敏感元的n型区3位于光敏感元电极5的正下方，是由通过硼离子注入和低能等离子体优化形成的离子注入损伤修复区301和光电二极管p-n结的推进区302构成。而且，离子注入损伤修复区301和位于其正下方的光电二极管p-n结的推进区302的中心法线在纵向上完全重合，横向尺寸相等并都为(10-50)×(10-50)μm2，厚度则分别为0.2-0.8μm和1-3μm。硼离子注入的能量为100-300KeV，剂量为1×1015-5×1015cm-2。
本发明的离子注入n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片光电二极管n区采用了离子注入损伤修复区和光电二极管p-n结的推进区的组合结构。这一方面可以通过形成离子注入损伤修复区来减小离子注入诱导的物理损伤，从而减小产生缺陷辅助隧穿电流的缺陷辅助中心的密度，以抑制HgCdTe探测芯片光电二极管的缺陷辅助隧穿电流。另一方面，通过在高掺杂的离子注入损伤修复区和光敏感元p型有源区之间增加低掺杂的光电二极管p-n结的推进区，能优化光电二极管纵向上的能带结构，并减小带带隧穿电流。
本发明的最大优点是：巧妙地将离子注入损伤修复区和光电二极管p-n结的推进区集成于光电二极管的n区，达到了n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片光电二极管的n区结构优化和光电性能提高的目的，因而具有创新结构的集成度高的特点。
附图说明
图1是本发明光电二极管n区结构优化的离子注入n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片的剖面示意图。
图2是光电二极管n区结构未优化的n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片光电二极管I-V和R-V特性图。
图3是本发明光电二极管n区结构优化的n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片光电二极管I-V和R-V特性图。
具体实施方式
下面以光电二极管n区结构优化的离子注入n+-on-p型Hg1-xCdxTe(x＝0.221)红外长波光伏探测芯片为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
见图1，本发明的光电二极管n区结构优化的n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片包括：红外衬底1、光敏感元的p型有源区2、光敏感元的n型区3、p型区表面的公共电极4、n型区表面上的光敏感元电极5、探测芯片的钝化介质膜6和与读出电路混成互连的铟柱列阵7。光敏感元的n型区3列阵与光敏感元的p型有源区2组成红外长波光伏探测芯片的光电二极管列阵。其中，光敏感元的n型区3位于光敏感元电极5的正下方，是由通过硼离子注入和低能等离子体优化形成的离子注入损伤修复区301和光电二极管p-n结的推进区302构成。而且，离子注入损伤修复区301和位于其正下方的光电二极管p-n结的推进区302的中心法线在纵向上完全重合，横向尺寸相等并都为30×30μm2，厚度则分别为0.5μm和2μm。硼离子注入的能量为200KeV，剂量为3×1015cm-2。
图2和图3分别为光电二极管n区结构未优化和光电二极管n区结构优化的离子注入n+-on-p型的碲镉汞红外探测芯片光电二极管的I-V与R-V特性图。如图2、3所示，光电二极管n区结构优化的HgCdTe红外中波探测芯片光电二极管的光电二极管动态阻抗极大值比n区结构未优化的提高了1～2倍。而且，在反向偏压大于动态阻抗极大值位置的偏压时，光电二极管n区结构优化的HgCdTe红外长波探测芯片的光电二极管动态阻抗提升得更为明显。这表明光电二极管n区结构优化可以抑制HgCdTe光电二极管暗电流中的带带直接隧穿电流(Ibbt，band-to-band tunneling current)和缺陷辅助隧穿电流(Itat，trap-assisted tunneling current)，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。
由此可见，本发明光电二极管n区结构优化的碲镉汞红外焦平面探测芯片的结构方案是可行的、合理的。
Claims (1)
1.一种光电二极管n区结构优化的n+-on-p型HgCdTe红外长波光伏探测芯片，它包括：红外衬底(1)、光敏感元的p型有源区(2)、光敏感元的n型区(3)、p型区表面的公共电极(4)、n型区表面上的光敏感元电极(5)、探测芯片的钝化介质膜(6)和与读出电路混成互连的铟柱列阵(7)，光敏感元的n型区(3)列阵与光敏感元的p型有源区(2)组成红外长波光伏探测芯片的光电二极管列阵，其特征在于：
所述的光敏感元的n型区(3)由通过硼离子注入和低能等离子体优化形成的离子注入损伤修复区(301)和光电二极管p-n结的推进区(302)构成，位于光敏感元电极(5)的正下方；所述的离子注入损伤修复区(301)和位于其下方的光电二极管p-n结的推进区(302)的中心法线在纵向上完全重合，横向尺寸均为10-50μm×10-50μm，厚度则分别为0.2-0.8μm和1-3μm。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN104037256A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-09-10 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 硅基碲镉汞长波光电二极管芯片 |
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2010
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