CN102928194A

CN102928194A - 红外焦平面探测器离子注入区陷阱浓度数据的提取方法

Info

Publication number: CN102928194A
Application number: CN2012104055023A
Authority: CN
Inventors: 胡伟达; 叶振华; 梁健; 郭楠; 李天信; 殷菲; 张波; 崔昊杨; 陈效双; 陆卫
Original assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面探测器离子注入区陷阱浓度数据的提取方法。它是基于激光辐照在碲镉汞材料上产生光生载流子，载流子扩散至离子注入n区、汞填隙扩散区和p吸收区形成的pn结处被结电场分开形成光电流信号的原理，对pn结光敏元阵列进行一维线性扫描，获得不同温度条件下电流和位置的关系曲线。曲线具有两对光电流峰，曲线的峰间间距代表了光敏元的结区宽度和pn的位置。结合数值模拟，提取获得不同温度下的离子注入区的有效陷阱浓度。本发明对长波碲镉汞红外探测器离子注入区材料优劣的判断具有非常重要的意义。

Description

红外焦平面探测器离子注入区陷阱浓度数据的提取方法

技术领域

本发明涉及红外探测器特征参数的检测技术，具体是指一种提取碲镉汞红外焦平面探测器光敏感芯片阵列的离子注入区陷阱浓度数据的方法。

背景技术

碲镉汞红外探测器在军事侦察、航天遥感领域有着重要的应用价值，对器件性能要求也很高。平面型碲镉汞红外探测器一般采用离子注入形成n区，但是离子注入会引起碲镉汞n区大量的损伤，在器件的光敏元区形成的陷阱。陷阱不仅能以陷阱辅助隧穿的方式形成暗电流，而且会形成复合中心复合光生载流子，从而大大降低了器件的量子效率和探测器。获取不同温度下准确的有效（离化）陷阱浓度分布，对碲镉汞红外探测器（尤其是长波器件）性能优劣的判断具有非常重要的意义。而且，在碲镉汞长波红外探测器设计时，光敏感芯片阵列的离子注入区陷阱浓度的设计值如果不准确的话，进行计算得到的探测器特性将会与实验值出现严重的偏离。所以，实验获取光敏感芯片阵列的离子注入区陷阱浓度具有非常重要的意义。

目前，对离子注入工艺形成的红外探测器损伤已经有了一定的研究。有文章报道了热处理和等离子体氢钝化等部分修复红外探测器损伤，以提高探测器的光电性能。而且，常规的微分霍尔测试可用以损伤引起的陷阱浓度特征参数测试。但是，微分霍尔测试是破坏性的、单一的电学测试，且易受采样数不足、实验样品制备复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有的光敏感芯片阵列的离子注入区陷阱浓度特征参数测量方法存在的问题，提供一种基于微小区域光电过程和高高精度扫描相结合的高效、无损的平面型碲镉汞长波红外焦平面探测器离子注入区陷阱浓度的提取技术方案。

本发明的具体技术方案如下：

1.从样品p区两端引出激光束诱导电流的测试电极，将样品放入杜瓦，通过液氮和控温仪调节样品所处的温度条件；

2.通过二维微移动平台（6）调节杜瓦（5）位置，在高倍物镜（4）和CCD相机（3）观察下，将激光聚焦到杜瓦中的pn结样品所在处，使扫描线沿样品中心线；

3．将一定功率的激光打在样品上，调节样品温度条件，结合相敏检测技术（即锁相放大器和机械斩波器），记录不同温度下激光沿样品中心线扫描时的电流和位置的关系曲线；

4.扫描得到的电流和位置的关系曲线线形呈对称的正负四峰结构（两对，如图5所示），其中中间两个对称峰，代表由于离子注入区与汞填隙扩散区诱导的pn结形成的激光束诱导电流，峰间间距代表了扫描方向结区宽度大小；外侧的两个对称峰，代表由于汞填隙扩散区与p吸收区诱导的pn结形成的激光束诱导电流，峰间间距代表了扫描方向结区宽度大小;

5.构建物理模型：半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，光响应可由载流子产生率加入方程，其他产生复合模型包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，用有限元方法离散化联立迭代自洽求解；

6.模拟中将离子注入区的陷阱离化浓度设为变量，外加入射光垂直照射到阵列结构长波碲镉汞红外探测器上（镉组份为0.224）上，改变陷阱离化浓度，由数值模拟得到陷阱离化浓度随温度变化的曲线，饱和后的陷阱离化浓度即为离子注入区的陷阱浓度。

本发明专利的优点在于：

本发明基于微小区域光电过程和高精度扫描相结合的方法，通过建立损伤引起的陷阱浓度与器件的关键性能光响应之间的特征关系，来实现红外焦平面探测器光敏感芯片阵列离子注入区陷阱浓度的提取，具有高效、无损伤、可靠和精确等优点。该方法获得的陷阱浓度空间分布由微小区域的激光斑点的直径和步进扫描精度共同决定。因此，离子注入区陷阱浓度特征参数提取的空间精度非常高，并基于直接的光电性能测量来获取空间分布，具有非常好的可信度和直观性。

附图说明

图1为待测长波碲镉汞红外焦平面样品的俯视图。

图2为检测采用的实验装置示意图；

图中1.激光器，2.斩波器，3.CCD相机，4.高倍物镜，5.杜瓦，6.二维微移动平台，7.锁相放大器，8.控温仪，9.步进台控制器，10.计算机。

图3为样品不同温度条件下，碲镉汞焦平面探测器列阵的激光束诱导电流图。

图4为样品不同温度条件下，数值模拟提取获得的离子注入区有效陷阱浓度随温度关系图。

图5为长波碲镉汞红外探测器单元器件的激光束诱导电流（LBIC）原理示意图。

具体实施方式

下面通过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。

本例通过显微-拉曼光谱仪的高倍物镜4和CCD相机3观察，将激光聚焦在小尺寸的pn结区，由步进台控制器9带动二维微移动平台6上的杜瓦5中样品移动，使得激光束沿pn结中心线扫描，控温仪8调节杜瓦5中样品温度，通过两个远端的p区测试电极分别将电流信号引出，锁相放大器7读出微弱的电流信号，自编程序将记录扫描走步与电流的数据，最后对数据进行处理，分别得到不同温度下有效光敏元面积大小。

具体步骤如下：

1．待测样品是碲镉汞光伏器件列阵，从样品边缘p型材料上表面引出两个远端的电极，如图1所示。将样品放入杜瓦5中，将杜瓦抽真空，灌液氮。

2．将杜瓦5放在走步精度为0.1μm的二维微移动平台6上，通过控温仪8使样品温度稳定在特定温度下。测试电极通过BNC接线到2to1转换器，转换器通过BNC接线到锁相A接口上，斩波器2通过BNC接线接到锁相参考输入口，步进台控制器9置于手动档，锁相接到计算机10相应接口上。实验的装置如图2所示。

3．打开光谱仪观察用的电脑程序Labspec，在主窗口出现被测器件的放大图像。调节二维微移动平台6下的聚焦螺旋，调至图像清晰。手动调节步进台控制器9和杜瓦5，使步进扫描x轴沿图1所示的样品线列阵AB方向。移到pn结所在处，关闭白光，打开激光源，打开激光衰减片，看激光聚焦情况，调节至光点为最小。

4．将斩波器2放入光路中，设置频率为1723Hz，不能是交流电频率50Hz的倍数，以免有交流噪声影响测量的微弱电流信号。设置激光衰减片为D1，使激光强度达到1×10⁴W/cm²，移动步进台控制器9，改变激光打在样品上的位置，观察锁相输出电流的最大值为多少，根据该值设定量程，使最大电流大于量程的一半，这样得到的电流值较为准确。

5．使步进台控制器9处于自动档，运行数据采集程序。选择扫描方向沿x轴扫描，电脑通过控制口使二维微移动平台6沿x轴移动，平台移动精度可以达到为0.1μm，这样能满足小尺寸的pn结区的测量要求。

6．通过控温仪8改变样品温度使其分别稳定在180K、230、260、300K，设置激光无衰减，使激光强度保持在1×10⁴W/cm²，根据步进台控制器9的读数判断并调节二维微移动平台6使激光打在样品上的位置与步骤5中一样，使步进台控制器9处于自动档，运行数据采集程序。选择扫描方向沿x轴扫描。

7．测量完后，电脑中采集的数据有四列，分别为位置，锁相输出的电流值的x、r、θ。采用第一列至第四列数据作图，得到的图是激光功率为1×10⁴W/cm²，温度为180K~260K的激光束诱导电流谱如图3所示。

8．从180K~260K的电流谱曲线显示，可以看出每个光敏元处出现了两对激光束诱导电流峰值信号。其中中间的对称峰是由于离子注入区与汞填隙扩散区诱导的n/n+结形成的激光束诱导电流，峰间间距代表了离子注入结区宽度大小；外侧的对称峰是由于汞填隙扩散区与p吸收区诱导的n+/p结形成的激光束诱导电流，峰间间距代表了汞填隙扩散区宽度大小。

9．基于上述pn结构，建立半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程。光响应可由载流子产生率加入方程，其他产生复合模型包括SRH复合、Auger复合和辐射复合，用有限元方法离散化联立迭代自洽求解。从而模拟获得不同温度下的激光束诱导电流谱，进而与图3实验结果进行校准。校准后，将离子注入区的陷阱浓度设置为拟合参数，从而最终获得离化陷阱浓度随温度变化的曲线，饱和后的陷阱离化浓度即为离子注入区的陷阱浓度，大小为6.8×10¹⁶cm^-3。

上述实施例获取的离子注入区的陷阱浓度与微分霍尔测试结果相近，说明本发明提供的离子注入区的陷阱浓度的提取方法是合理的、有效的。

Claims

1.一种红外焦平面探测器离子注入区陷阱浓度数据的提取方法，其特征在于包括如下步骤：

1)它通过在不同温度条件下，利用微米尺度激光光斑激发红外焦平面探测器样品产生的光生载流子，检测不同温度条件下的光敏元pn结产生的激光束诱导电流，扫描得到的电流和位置的关系曲线线形呈对称的两对正负峰；中间两个对称峰，代表由于离子注入区与汞填隙扩散区诱导的n/n+结形成的激光束诱导电流。外侧的两个对称峰，代表由于汞填隙扩散区与p吸收区诱导的n+/p结形成的激光束诱导电流;

2)构建数值模拟，半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子输运方程，光响应可由载流子产生率加入方程，表面复合，包括SRH复合、Auger复合和辐射复合加入方程，同时还要考虑到载流子的热效应、高场饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；模拟中将离子注入区的陷阱离化浓度设为变量，外加入射光垂直照射到阵列结构长波碲镉汞红外探测器上，改变陷阱离化浓度，由数值模拟得到陷阱离化浓度随温度变化的曲线，饱和后的陷阱离化浓度即为离子注入区的陷阱浓度。