CN1617357A - 碲镉汞红外双色焦平面探测器列阵芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碲镉汞红外双色焦平面探测器列阵芯片，该芯片采用一种注入平面结和台面异质结的混合结构，避免了高难度的两步微台面的刻蚀。最终得到的列阵芯片性能参数几乎接近于常规单波段HgCdTe焦平面器件性能。这说明本发明采用的混合结构的技术方案是合理的、可行的。

Description

碲镉汞红外双色焦平面探测器列阵芯片

技术领域

本发明涉及红外光电探测器，具体是指一种同时模式的碲镉汞(HgCdTe)红外双色焦平面探测器的列阵芯片。

背景技术

为了满足红外系统对焦平面探测器的要求，一种同时模式的集成双色焦平面探测器在国外得到了很快的发展。与单波段焦平面探测器相比，同时模式双色焦平面探测器可在两个波段同时进行探测，这可得到更多有意义的目标信息，更有利于排除虚假信号。

同时模式的列阵HgCdTe红外双色焦平面探测器芯片已经有许多国外专利和文献报道，尽管它们在具体细节上存在一些差别，但都是基于比较成熟的原位In和As掺杂技术，由采用金属有机化学气相沉积技术在碲锌镉(CdZnTe)衬底上生长多层p-n-N-N-P型异质结材料，或由采用分子束外延技术在碲锌镉衬底上生长多层n-p-P-P-N型异质结材料，然后对异质结材料用干法刻蚀方法形成列阵光敏元微台面，再用干法刻蚀方法对微台面内部中间层的暴露，形成列阵两步微台面，见图2，从而成为可响应两个波段的列阵双色焦平面探测器芯片。如欧洲专利EP0747962-A3和美国专利US5457331。

在上述的列阵光敏元两步微台面的形成过程中，必须由干法离子刻蚀机才能获得很高深宽比的两步微台面列阵。这些能获得很高深宽比的两步微台面列阵的干法离子刻蚀机，如国外的ECR(electron cyclotron resonance)或者ICP(inductively coupled plasma)增强型的RIE(reactive ion etching)反应离子刻蚀机都是非常昂贵的。所以，作为这些方案的关键设备，它们在很大程度上限制了同时模式的集成HgCdTe红外双色焦平面探测器的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要昂贵的工艺设备，利用成熟的工艺条件就可制备的列阵HgCdTe红外双色焦平面探测器芯片。

为了实现上述目的，本发明采用一种注入平面结和台面异质结的混合结构，避免了高难度的两步微台面的刻蚀，采用湿法腐蚀和一系列芯片列阵加工工艺，就可获得同时模式n-p-P-P-N型列阵双色焦平面探测器芯片。

本发明的列阵HgCdTe红外双色焦平面探测器芯片包括：GaAs衬底1，与GaAs衬底牢固结合的CdTe过渡层2，在CdTe过渡层上有一维或二维排列的微台面3及爬坡公共电极4。

所说的微台面依次由：In掺杂的N型HgCdTe层301，掺杂浓度为2.0-8.0×10¹⁷，厚度为1.5-3.5μm；Hg空位掺杂的p型HgCdTe层302，掺杂浓度为5.0-15.0×10¹⁵，厚度为4.0-7.0μm；Hg空位掺杂的p型HgCdTe势垒阻挡层303，掺杂浓度为6.0-16.0×10¹⁵，厚度为0.1-0.6μm；Hg空位掺杂的p型HgCdTe层304，掺杂浓度为4.0-12.0×10¹⁵，厚度为7.0-12.0μm；在p型HgCdTe层304的表面部分区域有一通过B⁺注入的n⁺区域305组成。

In掺杂的N型HgCdTe层301和Hg空位掺杂的p型HgCdTe层302构成响应较短红外波长的P-N台面异质结。

Hg空位掺杂的p型HgCdTe层304和n⁺区域305构成响应较长红外波长的P-n⁺平面结。这里的较短红外波长和较长红外波长只是相对而言。

注入n⁺区域305上有In球5，未注入P型HgCdTe区上有In球6，爬坡公共电极4上有In球7。

本发明的器件工作过程是：当红外辐射从衬底背面入射到双色探测器芯片上时，穿过透明的GaAs衬底后，较短波段的红外辐射在台面结P-N结的吸收区先被吸收，而光生载流子被台面结P-N结的内建电场分开，产生的较短波段光电流信号由读出互连In球6和7输出；较长波段的红外辐射继续前进，到达长波段吸收层后被吸收，光生载流子被P-n⁺平面结的内建电场分开，产生的较长波段光电流信号由读出互连In球5和7输出，从而构成一个可探测双色波段的焦平面器件芯片。

本发明的优点是：

1.由于采用了注入平面结和台面异质结混合的技术方案，这使材料的生长、光敏元列阵微台面的成形和电极金属膜的淀积等一些关键技术易于实现。

2.本发明的外延HgCdTe材料使用的衬底是商用的GaAs材料，相比于ZnCdTe材料要便宜，而且材料直径大，可外延较大面积的HgCdTe材料。

附图说明

图1为已有技术的列阵红外双色焦平面探测器芯片的结构示意图；

图2为本发明的列阵红外双色焦平面探测器芯片的结构示意图；

图3为芯片的B⁺注入n⁺区域分布图；

图4为列阵芯片的扫描电子显微镜图；

图5为本发明的两个光电探测器的光谱响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图，以光敏元微台面面积为70×70μm²，32×32元的同时模式n⁺-p-P-P-N型HgCdTe异质结为例，对本发明的具体实施方式作详细说明：

1.首先，在GaAs衬底上生长台面结P-N异质结，它是响应较短波长红外辐射的光电二极管。如图2所示，采用分子束外延技术在GaAs衬底1上依次生长CdTe过渡层2；In掺杂浓度为5.0×10¹⁷、厚度为2μm、组分为0.45的N层HgCdTe层301，此层还用以制作公共电极的引出层；Hg空位掺杂的浓度为1.20×10¹⁶、厚度为6μm、组分为0.435p型HgCdTe层302。

然后，再生长掺杂浓度为1.30×10¹⁶、厚度为0.4μm、组分为0.5的Hg空位的P型势垒阻挡层303，以减少两个波段光电流信号间的光谱串音。

最后，生长掺杂浓度为1.10×10¹⁶、厚度为8μm、组分为0.285的Hg空位的p型HgCdTe层304。

2.由上述分子束外延技术得到的p-P-P-N型HgCdTe材料，进行划片、清洗和光刻后，再对p型HgCdTe层304上的每一光敏元选择3/4面积，形状如“L”状的区域进行B⁺注入，见图3，得到响应较长红外辐射的平面n⁺-p结光电二极管列阵。B⁺注入采用常规的单波段焦平面探测器的注入条件，离子能量为200KeV，剂量为5.0×10¹⁴cm^-2，注入角度为15度。

3.采用一种可使样品自动旋转的湿法腐蚀装置(ZL02261149.5)来制备列阵光敏元微台面。该装置能消除常规湿法腐蚀会出现的单边峰、双边峰的现象，且腐蚀台面高度均匀性在4mm²范围内可达3％。腐蚀液采用7.5‰的Br₂/HBr混合溶液，腐蚀温度控制在冰点，腐蚀速率为0.1μm/sec，并由台阶仪来直接进行微台面高度的测量。本实施例腐蚀了142秒，光敏元微台面列阵的平均高度为14.4μm，列阵高度均匀性为2.5％。

4.采用热蒸发镀膜的方法，来生长侧面与平面的ZnS钝化层8。热蒸发的腔体本底真空高于1×10^-4Pa，膜生长速率为0.3nm/sec，生长的膜厚为400nm。

5.采用离子束镀膜方法来生长欧姆接触电极和爬坡电极的Sn/Au金属膜层9。在生长金属膜层之前，利用光刻掩膜技术开出电极孔，再在冰点温度用纯盐酸，来腐蚀电极孔位置的ZnS约5秒钟，以露出电极孔位置的HgCdTe材料。再将样品装到双离子束镀膜机上，镀膜时，腔体的本底真空高于1×10^-4Pa。镀Sn的速率为0.25nm/sec，厚度为30nm；镀Au的速率为0.35nm/sec，厚度为90nm。最后，待生长完Sn/Au金属膜层后，将样品置于丙酮熔剂中约15分钟，以溶解光刻胶去除其它位置的金属膜层。

6.采用热蒸发的方法制备光敏元列阵的互连In柱，再在蚁酸气氛下回熔成In球5、6、7。在蒸发In柱之前，利用光刻掩膜技术开出读出互连的In柱生长孔，其位置正好位于Sn/Au金属膜层之上。在制备读出互连的In柱列阵时，蒸发腔体的本底真空高于8×10^-4Pa，蒸发源的In纯度高于99.99，蒸发生长的速率控制在0.2μm/min，In金属膜厚度约为12μm。在生长完In金属膜后，将样品置于丙酮熔剂中约15分钟，以溶解光刻胶去除其它位置的In金属膜层，得到In柱列阵。最后，将样品置于回熔炉设备中，在蚁酸气氛的作用下，加热到160℃后，In柱列阵回熔成In球列阵。图4是In柱回熔成球后的SEM形貌，每单个光敏元有两个In球，分别读出双波段红外辐射的光电流信号。

最后对上述实施例进行两个波段的响应光谱和I-V测试，如图4所示，2个波段的光电二极管截至波长分别为3.04μm和5.74μm。且较短波长光电二极管的截止波长和较长波长光电二极管的起始响应波长基本相等，约为3.05μm，表明较短波长光电二极管能让较长波长辐射通过，又能完全吸收较短波长辐射。并由图4计算得到，较长波长的光谱串音为0.46％，较短波长的光谱串音为6.34％。较长波长光电二极管的光谱串音仅有0.46％，主要是因为在材料生长时，形成了很薄的P型少数载流子的势垒阻挡层。由I-V测试还得到，较短波长和较长波长光电二极管的平均R₀A值分别为3.852×10⁵Ωcm²和3.015×10²Ωcm²，峰值探测率分别为1.57×10¹¹cmHz^1/2/W和5.63×10¹⁰cmHz^1/2/W，且均匀性都高于12％。

最终得到的混合结构的双色列阵芯片性能参数几乎接近于常规单波段HgCdTe焦平面器件性能。这说明采用混合结构的集成双色芯片列阵的技术方案是合理的、可行的。

Claims (1)

1.一种碲镉汞红外双色焦平面探测器列阵芯片，包括：GaAs衬底(1)，与GaAs衬底牢固结合的CdTe过渡层(2)，在CdTe过渡层上有一维或二维排列的微台面(3)及爬坡公共电极(4)，微台面(3)上In球(5)和(6)，爬坡公共电极(4)上有In球(7)，其特征在于：

所说的微台面依次由：In掺杂的N型HgCdTe层301，掺杂浓度为2.0-8.0×10¹⁷，厚度为1.5-3.5μm；Hg空位掺杂的p型HgCdTe层302，掺杂浓度为5.0-15.0×10¹⁵，厚度为4.0-7.0μm；Hg空位掺杂的p型HgCdTe势垒阻挡层303，掺杂浓度为6.0-16.0×10¹⁵，厚度为0.1-0.6μm；Hg空位掺杂的p型HgCdTe层304，掺杂浓度为4.0-12.0×10¹⁵，厚度为7.0-12.0μm；在p型HgCdTe层304的表面部分区域有一通过B⁺注入的n⁺区域305组成；

In掺杂的N型HgCdTe层(301)和Hg空位掺杂的p型HgCdTe层(302)构成响应较短红外波长的P-N台面异质结；

Hg空位掺杂的p型HgCdTe层(304)和n⁺区域(305)构成响应较长红外波长的P-n⁺平面结。

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