摘要：采用CdTe/ZnS雙層鈍化工藝制備了640 × 512@ 15 μm碲鎘汞中波探測器。研究了退火溫度對CdTe/MCT界面及CdTe鈍化膜質(zhì)量的影響。經(jīng)測試表明：本公司制備的碲鎘汞HOT中波探測器可以在125 K穩(wěn)定工作，但與國外的先進(jìn)技術(shù)相比仍存在差距，需要在MCT材料改進(jìn)和器件加工工藝上繼續(xù)深入研究，才能提高探測器的工作溫度和穩(wěn)定性。

1引言

制冷紅外探測器性能優(yōu)異，有著廣泛的軍事和民用用途。但是由于芯片需要工作在80 K左右的低溫環(huán)境下，因此必須使用制冷機(jī)，這帶來的劣勢就是體積大、重量大、功耗高以及成本高。降低探測器重量、功耗、體積及成本是碲鎘汞紅外探測器發(fā)展趨勢，關(guān)鍵解決方案之一就是提高碲鎘汞紅外探測器芯片的工作溫度。周連軍等對高溫碲鎘汞中波紅外探測器的國內(nèi)外進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，主要介紹了法國sofradir公司、美國Teledyne公司、德國AIM公司、英國Selex公司、美國DRS公司等在碲鎘汞高溫中波探測器上的研究進(jìn)展，并報道了昆明物理研究所基于n-on-p（Hg空位）640 ×512@ 15 μm碲鎘汞中波探測器的HOT測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該探測器可在110 K工作，但與國外同類探測器相比仍然存在不小的差距。碲鎘汞紅外探測器高溫工作的主要問題在于隨著焦平面工作溫度的提高，使得與低頻噪聲相關(guān)的缺陷數(shù)量會增加，這個問題可以通過提高材料的質(zhì)量，并優(yōu)化碲鎘汞芯片加工工藝來解決，法國sofradir通過這種工藝改進(jìn)，提高n-on-p（Hg空位）SCORPIO 640 × 512@ 15 μm型中波紅外焦平面的工作溫度至130 K（λC = 5 μm，NETD≤22mK）。有研究表明：采用CdTe/ZnS雙層鈍化工藝能有效地降低碲鎘汞器件的表面漏電流，可提高芯片的工作性能。

本文通過液相外延生長的高質(zhì)量碲鎘汞外延薄膜材料，并采用CdTe/ZnS雙層鈍化工藝進(jìn)行了碲鎘汞高溫中波紅外探測器的制備研究。

2試驗(yàn)

本試驗(yàn)所用的MCT材料為在碲鋅鎘（CZT）襯底（Zn組分4% ，(111)B面）上經(jīng)富碲液相外延（LPE）生長的中波MCT薄膜材料，MCT外延材料Cd組分x≈0. 3，液氮溫度下所對應(yīng)的截止波長λC為4.8 μm。MCT材料經(jīng)富碲LPE生長后進(jìn)行弱P 型退火熱處理，熱處理后測得液氮溫度下的空穴濃度為3 - 9 × 1015cm-3、空穴遷移率為450 - 520 cm2/（V·s），熱處理后的樣品使用Schaake腐蝕劑腐蝕后測得的位錯密度＜3 × 104 cm-2。采用熱蒸發(fā)設(shè)備生長3000A厚的CdTe鈍化膜，CdTe 鈍化后的MCT材料在氫氣氣氛的保護(hù)下退火熱處理。硼離子注入形成pn結(jié)后在電子束蒸發(fā)設(shè)備中生長3000 A厚的ZnS鈍化膜。采用光刻、濕法刻蝕完成金屬化開口、金屬化沉積等一系列工藝制備了MCT光電二極管陣列，其中面陣規(guī)格640 × 512@ 15 μm。其中，金屬化開口采用全濕法刻蝕：ZnS鈍化層由濃鹽酸腐蝕開孔，CdTe腐蝕液由重鉻酸鉀、氫氟酸、硝酸、去離子水按照一定的比例配制而成。CdTe腐蝕液對ZnS鈍化層的腐蝕速率為50A/s左右，對CdTe鈍化膜的腐蝕速率為300 A/s左右，對MCT外延層的腐蝕速率為5 A/s左右，對CdTe鈍化膜腐蝕的選擇比較高，滿足濕法開孔的要求。P、N區(qū)電極分別采用Cr/Au、Sn/Au作為接觸金屬。

模塊經(jīng)劃切、In柱倒焊互連、CZT襯底完全去除以及芯片背面增透膜生長后進(jìn)行面陣測試。使用場發(fā)射掃描電鏡（SEM）對樣品退火前后的CdTe/MCT界面進(jìn)行表征。面陣測試采用紅外探測器專用測試系統(tǒng)。初測合格芯片與杜瓦耦合，經(jīng)高溫排氣后，配上本公司自研的RS046小型化斯特林制冷機(jī)，制備成F數(shù)為4的紅外探測器組件，進(jìn)行HOT測試。

3結(jié)果與討論

3.1退火溫度對CdTe/MCT界面及CdTe膜層質(zhì)量的影響

為了改善CdTe/MCT的界面狀態(tài)，增加CdTe/MCT界面的互擴(kuò)散，需對CdTe鈍化后的MCT材料在氫氣氣氛下進(jìn)行退火熱處理。熱處理前后CdTe鈍化膜及CdTe/MCT界面的變化情況如圖1所示。

圖1 CdTe/MCT界面在退火熱處理前后微觀結(jié)構(gòu)的變化圖

由圖1看出：退火熱處理之前，CdTe膜層中有柱狀結(jié)晶，晶粒間的晶界明顯，CdTe/MCT界面清晰，CdTe呈現(xiàn)出直接堆砌在MCT表面的狀態(tài)，表明CdTe/MCT界面結(jié)合不好。經(jīng)過120 ℃/24 h退火后，CdTe鈍化膜中柱狀晶粒尺寸和晶粒間間距都減少，CdTe/MCT界面不明顯，表明CdTe/MCT界面結(jié)合變好。經(jīng)過150 ℃/24 h退火后，CdTe鈍化膜中柱狀晶粒基本消失、晶粒間間間距減小到基本忽略不計，CdTe/MCT界面不明顯，表明經(jīng)150 ℃/24 h退火后，CdTe/MCT界面結(jié)合性能以及CdTe膜層質(zhì)量均變好；經(jīng)過200 ℃/8 h退火后，CdTe/MCT界面很難分清，說明CdTe/MCT間互擴(kuò)散嚴(yán)重，CdTe鈍化膜小晶粒界面消失，CdTe鈍化膜中出現(xiàn)了大小不一的空洞。李雄軍等在CdTe/ZnS復(fù)合鈍化層對長波碲鎘汞器件性能的影響研究中提到：鈍化層及其與MCT界面存在空洞、雜質(zhì)、損傷及結(jié)構(gòu)無序等將導(dǎo)致產(chǎn)生界面固定電荷和界面態(tài)。因此，CdTe鈍化膜采用200 ℃/8 h退火將可能會影響CdTe鈍化膜的鈍化效果。故CdTe鈍化膜采用120 - 150 ℃退火24 h可以很好增加CdTe/MCT界面間的互擴(kuò)散，同時可改善CdTe鈍化膜質(zhì)量。退火溫度升高至200 ℃后，CdTe鈍化膜出現(xiàn)空洞，說明CdTe鈍化膜的沉積工藝需要改進(jìn)，以提高CdTe鈍化膜的膜層質(zhì)量。

3.2中波探測器組件的HOT測試分析

將初測合格的640 × 512@ 15 μm規(guī)格碲鎘汞中波芯片與杜瓦耦合，經(jīng)高溫排氣后，配上本公司自研的RS046小型化斯特林制冷機(jī)，制備成F數(shù)為4的中波紅外探測器組件，進(jìn)行HOT測試。組件F/#4；50%勢阱填充；背景環(huán)境溫度293K；盲元判定標(biāo)準(zhǔn)：Rv ± 30%，VT1± 30%，NETD＞50 mK。

圖2 室溫環(huán)境下中波探測器性能

組件測試結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)與圖2(b)可知：當(dāng)焦平面溫度從85K增大140 K的過程中（焦平面溫度每升高5 K測試一次），探測器信號Vs由0.43 V下降到0.38 V，信號下降11.63%，噪聲Vn由0.45 mV增大到0.47 mV，噪聲信號增大4.4%，噪聲信號變化很?。籒ETD由15.8 mK增大到18.2mK，NETD保持在20 mK以內(nèi)；有效像元率由99.94%下降到99.32%，有效像元率保持在99%以上。當(dāng)焦平面溫度從140 K繼續(xù)升高155 K時，探測器信號Vs由0.38V下降到0.36 V，噪聲Vn由0.47 mV增大到0.57 mV，NETD由18.2 mK增大到23.8 mK，有效像元率由99.32%下降到97.37%；與85K時的測試結(jié)果相比，探測器響應(yīng)信號下降了16.3%，噪聲信號上升21.3%，NETD增加了30.77%，有效像元率下降了2.57%。這說明當(dāng)焦溫大于140 K時，隨著焦溫的升高，探測器的性能處于一個快速的下降過程中。由圖2(c)可以看出：當(dāng)焦平面溫度從85 K增大到125 K時，隨著焦平面溫度的升高，其響應(yīng)率盲元數(shù)、直流電平盲元數(shù)、NETD盲元數(shù)以及總盲元數(shù)Total 基本不隨焦平面溫度升高的變化。當(dāng)焦平面溫度從125 K增大到140 K時，NETD盲元數(shù)與總盲元數(shù)快速增大，而響應(yīng)率盲元數(shù)、直流電平盲元數(shù)隨焦平面溫度升高的變化不明顯，說明NETD盲元是造成器件盲元率隨焦平面溫度升高而上升的主要原因，這與芯片的噪聲增加是直接相關(guān)的，表明MCT外延材料的質(zhì)量和芯片的鈍化工藝有待進(jìn)一步的提高。當(dāng)焦溫大于140 K時，器件的響應(yīng)率盲元數(shù)、直流電平盲元數(shù)、NETD盲元數(shù)以及總盲元數(shù)均快速的上升，器件性能隨著焦平面溫度的升高而快速下降。由圖2及其分析結(jié)果可以看出：該型中波紅外探測器組件可以在小于等于125 K焦溫下穩(wěn)定工作，但MCT外延材料質(zhì)量以及器件表面的鈍化工藝尚有較大的改進(jìn)空間。

已有報道對MCT器件截止波長隨焦平面溫度的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖3所示。因此，在液氮溫度下測得的截止波長λC為4.85 μm，當(dāng)焦平面溫度上升至125 K時，MCT器件的光譜響應(yīng)特性滿足中波響應(yīng)范圍。

圖3 中波碲鎘汞材料截止波長與工作溫度關(guān)系

圖4 中波探測器在不同焦平面溫度下對室溫目標(biāo)進(jìn)行凝視成像

使用此中波探測器在不同焦溫下對室溫目標(biāo)的凝視成像圖如圖4所示。當(dāng)焦平面溫度繼續(xù)升高至160 K時，畫面上出現(xiàn)有無法校除的壞點(diǎn)。在測試過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)焦平面溫度繼續(xù)升高至185K時，探測器已基本無法成像。結(jié)合圖4的成像結(jié)果與圖2探測器HOT測試性能，說明該探測器組件可以在小于等于125 K焦溫穩(wěn)定工作。

3.3碲鎘汞高溫中波探測器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比

本公司自研的n-on-p（Hg空位）640 × 512 @15 μm型碲鎘汞中波紅外焦平面探測器與法國sofradir公司2011年報道的n-on-p（Hg空位）SCORPIO 640 × 512@15 μm型中波紅外焦平面的測試結(jié)果相當(dāng)。法國sofradir公司2011年報道了其通過改進(jìn)工藝后的n-on-p（Hg空位）SCORPIO640 × 512@ 15 μm型中波紅外焦平面的測試結(jié)果，其工作溫度達(dá)到130 K（λC = 5 μm，NETD≤22 mK），2016年報道其p-on-n工藝的640× 512@ 15 μm型碲鎘汞高溫中波探測器，工作溫度高達(dá)160 K。德國AIM公司在碲鎘汞高溫中波紅外探測器上也取得了豐碩的研究成果。德國AIM公司2014年報道的non-p（Au摻雜）640 × 512@ 15 μm型中波紅外焦平面探測器的工作溫度可達(dá)160 K；2017年報道其p-on-n工藝的640× 512@ 20 μm高溫中波（λC =5. 25 μm）測試結(jié)果，顯示其工作溫度可達(dá)到170 K。截至目前，國內(nèi)未見有工作溫度超過130 K的碲鎘汞高溫中波紅外探測器的相關(guān)報道，國內(nèi)在碲鎘汞高溫中波紅外探測器的研究上與國外的n-on-p（Au摻雜）或p-on-n等先進(jìn)的高溫中波紅外焦平面探測器制備技術(shù)相比尚存在很大的差距。

4結(jié)論

本文介紹了本公司采用MCT材料和CdTe /ZnS雙層鈍化工藝制備640 × 512@ 15 μm碲鎘汞中波探測器的研究成果。經(jīng)HOT測試表明：本公司制備的HOT中波探測器可以在125 K穩(wěn)定工作，但與國外的先進(jìn)技術(shù)相比仍存在差距，需要在MCT材料改進(jìn)和器件加工工藝上繼續(xù)深入研究，才能提高探測器的工作溫度和穩(wěn)定性。