陳鳳金，司俊杰,2，施正風(fēng)

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濕熱環(huán)境對PbS光導(dǎo)探測器可靠性影響

陳鳳金1，司俊杰1,2，施正風(fēng)1

（1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009；2.紅外探測器技術(shù)航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009）

敘述了PbS薄膜的化學(xué)水浴制備方法及PbS薄膜形貌、性能測試及濕熱環(huán)境（相對濕度95%）試驗的過程，闡述了PbS探測器芯片經(jīng)濕熱環(huán)境試驗后暗阻等性能參數(shù)的變化情況，分析了其原因和相關(guān)機(jī)理。短時間（1h）內(nèi)濕熱環(huán)境下，其性能參數(shù)變化在5%以內(nèi)，在持續(xù)24h的潮濕環(huán)境后，PbS的暗阻增大50%以上。在之后的2×24h、3×24h、4×24h、5×24h濕熱環(huán)境下，暗阻值增量隨時間遞增呈正比例關(guān)系。當(dāng)潮濕試驗進(jìn)行到7×24h后，部分試驗樣件無法測試出響應(yīng)信號，樣件失效。

濕熱環(huán)境；暗電阻；PbS；光導(dǎo)探測器；性能可靠性；表面吸附

0 引言

近年來，隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，越來越多的探測器應(yīng)用于特殊的、相對惡劣的環(huán)境當(dāng)中，這也給紅外探測器可靠性提出了新的要求?？煽啃允擒娪醚b備效能的主要影響因素之一，是裝備質(zhì)量的重要指標(biāo)，是元件、產(chǎn)品或系統(tǒng)的完整性的最佳度量。提高產(chǎn)品的可靠性對發(fā)展我國尖端技術(shù)、軍事工業(yè)，推廣應(yīng)用電子技術(shù)有著重要的作用。當(dāng)前，航空航天領(lǐng)域?qū)υ骷煽啃缘囊笠呀?jīng)提高到宇航級和高可靠級。而在空間任務(wù)中，大多采用電子元器件國際通用分類中的宇航級/883B級產(chǎn)品[1]。生產(chǎn)高可靠級產(chǎn)品也成為各軍標(biāo)線建設(shè)的主流和趨勢。考察探測器在環(huán)境試驗下的可靠性也是探測器生產(chǎn)中質(zhì)量控制的重要一環(huán)。

Ⅳ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體大多屬于窄帶半導(dǎo)體，在制造紅外輻射探測器和激光器等方面占有重要地位，廣泛應(yīng)用的有鉛的硫?qū)倩衔锉∧2]。作為Ⅳ-Ⅵ族半導(dǎo)體中的重要一員，鉛鹽類半導(dǎo)體材料有硒化鉛（PbSe）、硫化鉛（PbS）、碲化鉛（PbTe），利用該類多晶薄膜材料的內(nèi)光電效應(yīng)制成本征光電導(dǎo)器件[3-4]。PbS薄膜的制備采用Pb2＋和S2－結(jié)合而成[5]。常用的PbS半導(dǎo)體薄膜就是應(yīng)用傳統(tǒng)的化學(xué)成膜技術(shù)，通常是由NH2CSNH2和Pb(AC)2×3H2O溶液在一定的堿性條件下化學(xué)沉淀制備而成[6]，一般為多晶薄膜結(jié)構(gòu)。

對于光導(dǎo)器件，暗電阻、信號、噪聲等是表征探測器性能的幾個主要參數(shù)，在特定的環(huán)境條件下，探測器的性能參數(shù)會有所變化。

本文闡述了PbS探測器芯片經(jīng)環(huán)境試驗后暗阻等性能參數(shù)的變化情況，并對其變化的原因機(jī)理作了分析。

1 實驗

1.1 PbS探測器芯片的制作

采用化學(xué)浴沉積法制備[6-8]PbS多晶薄膜，用光刻方法制作PbS芯片圖形，進(jìn)行金屬化、敏化等工序制成PbS探測器芯片。用JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡觀測PbS薄膜形貌。

1.2 PbS光導(dǎo)探測器芯片性能參數(shù)的測試

選某批次某型PbS探測器芯片32片，用PbS探測器專用測試系統(tǒng)測試試驗前后的性能參數(shù)。測試條件為：黑體溫度500K、光闌孔徑4mm、調(diào)制頻率800Hz、距離40cm、噪聲帶寬180Hz。

1.3 PbS光導(dǎo)探測器芯片濕熱環(huán)境試驗

按GJB1788-93要求：PbS探測器濕熱試驗在相對濕度90%～95%，溫度可以選擇為25℃、30℃、40℃，持續(xù)時間為48～240h不等的條件下進(jìn)行。因PbS芯片是在50±2℃的條件下長時間老化處理，為考察濕熱對芯片性能的影響，同時也是為增加試驗強(qiáng)度，縮短試驗周期，試驗采用溫度為50±2℃，相對濕度95%的條件下進(jìn)行。試驗設(shè)備為Tenney six型濕熱箱。

試驗流程與具體步驟為：測試試驗前PbS探測器芯片的暗阻d等性能參數(shù)；PbS芯片放置在Tenney six型濕熱箱中，環(huán)境溫度保持在50±2℃，相對濕度≥95%，持續(xù)時間分別為1h、24h、2×24h、3×24h、4×24h、5×24h、7×24h后測試其性能參數(shù)。

2 實驗結(jié)果與討論

采用化學(xué)浴沉積法制備PbS多晶薄膜，并經(jīng)光刻、金屬化、敏化等工序制成PbS探測器芯片。用JSM-6510LV型掃描電子顯微鏡觀測PbS薄膜形貌，形貌圖如圖1所示。

由圖可以看出，PbS薄膜表面為粗糙面，是由大量的PbS單個顆粒沉積生長而成。

PbS探測器芯片，經(jīng)濕熱環(huán)境試驗1h、24h、2×24h、3×24h、4×24h、5×24h、7×24h測試其各環(huán)境試驗后的性能參數(shù)，所測試的暗阻結(jié)果見圖2所示。

圖2中，圖例A、B、C、D、E、G、H、I分別為PbS探測器在環(huán)境試驗前、濕熱環(huán)境下1h、24h、2×24h、3×24h、4×24h、5×24h、7×24h后探測器芯片阻值的分布曲線。濕熱環(huán)境暗阻值平均增幅隨試驗持續(xù)時間的變化趨勢如圖3所示。

圖1 PbS多晶薄膜SEM形貌圖

圖2 環(huán)境試驗前后暗阻分布圖

圖3 潮濕試驗后暗阻的平均增量與試驗時間關(guān)系圖

由圖2可以看出，PbS探測器芯片在濕熱環(huán)境下1h的短時間存放后，其暗阻值與濕熱試驗前暗阻基本沒變化，暗阻值分布基本重合（圖例A和圖例B），即短時間的濕熱環(huán)境下不足以影響PbS探測器芯片的暗阻。而在濕熱環(huán)境下存放24h之后，PbS探測器芯片暗阻值增大，增幅多在50%以上（見圖2中的圖例C），有的甚至增加至原來的2倍。也就是說，PbS探測器芯片在濕熱環(huán)境下，首次的24h后，PbS芯片的暗阻值有較大幅度的增長。之后，持續(xù)存放在濕熱環(huán)境每24h后，其暗阻依然逐漸增大，且暗阻值增量隨時間遞增呈正比例關(guān)系（如圖3所示），平均增量約0.2mW/24h。當(dāng)濕熱試驗進(jìn)行到7×24h后，部分PbS探測器芯片暗阻出現(xiàn)陡增現(xiàn)象，暗阻值高達(dá)近3mW或顯示不穩(wěn)定值，如圖2中圖例I。

PbS探測器芯片經(jīng)不同時間的濕熱環(huán)境試驗，其信號與噪音影響變化較小，在5%以內(nèi)，當(dāng)濕熱試驗進(jìn)行到7×24h后，部分試驗樣件無法測試出響應(yīng)信號。

在溫度為50±2℃，相對濕度為≥95%的濕熱環(huán)境中，存在大量的H2O分子和O2分子。PbS探測器芯片由大量的PbS晶粒沉積于基片制備而成，其主體為PbS多晶薄膜，如圖1所示。顆粒之間必定存在大量的空隙，顆粒之間的空隙大大增加了PbS顆粒與H2O分子和O2分子的接觸面。

干燥的PbS探測器芯片在進(jìn)入濕熱環(huán)境下時，一方面，顆粒表面存在吸附，構(gòu)成表面吸附態(tài)，這種表面吸附態(tài)，吸附H2O分子和O2分子。而在PbS表面，氧分子的吸附能力高，氧分子吸附后對其周圍原子的電荷影響較為明顯[9-10]。表面態(tài)束縛電子使自由電子減少，從而使其電阻增大[11]；而且，PbS芯片在濕熱環(huán)境下一段時間之后，因O－和HO－增加，使其電子空穴對減少，載流子濃度減小，電導(dǎo)率減小，也使得暗電阻增加；另外，在PbS顆粒的周圍（顆粒之間的空隙內(nèi)）因濕熱環(huán)境引入的H2O本身也存在電阻。由此綜合產(chǎn)生的暗阻值增加量D。

PbS探測器芯片在濕熱環(huán)境下1h的短時間內(nèi)，產(chǎn)生的上述表面吸附態(tài)等現(xiàn)象與過程不明顯，濕熱環(huán)境對PbS薄膜顆粒周圍原子的電荷影響甚微，以至于暗阻值變化極小，PbS薄膜顆粒周圍所吸附和增加的H2O的量也有限，由此產(chǎn)生的?很小，甚至接近為0，此時暗阻值分布與試驗前分布基本重合（見圖2中圖例A和圖例B）。而在濕熱環(huán)境中24h之后，H2O已與PbS顆粒充分接觸和吸附，以上這些因素所增加的電阻?與PbS的電阻0構(gòu)成一個等效的串聯(lián)電阻（如圖4所示），從而使得PbS芯片整體阻值大幅度增加，如圖2中圖例C。

圖4 PbS在環(huán)境實驗后形成的等效電阻示意圖

持續(xù)在濕熱環(huán)境中2×24h之后，探測器芯片的薄膜顆粒結(jié)構(gòu)所吸附的H2O的量成為引起暗阻值增大的主導(dǎo)因素，隨著持續(xù)在濕熱環(huán)境下的時間增長，阻值逐漸增大。且相同的時間內(nèi)，由于所吸附的H2O的量相當(dāng)，由H2O產(chǎn)生的阻值基本一致，其暗阻值增量隨時間遞增呈正比例關(guān)系（如圖3所示）。當(dāng)濕熱環(huán)境試驗進(jìn)行到7×24h后，PbS探測器芯片的薄膜顆粒結(jié)構(gòu)對H2O的吸附量過大，部分試驗樣件所測試的阻值其主體部分均是吸附的H2O產(chǎn)生的電阻（為最初試驗前暗阻值的3倍），暗阻出現(xiàn)陡增現(xiàn)象或暗阻值顯示不穩(wěn)定，如圖2中圖例I所示，已經(jīng)失去作為探測器芯片所具有特性，器件失效。

PbS探測器芯片經(jīng)不同時間的濕熱環(huán)境試驗，其信號與噪音影響變化較小，在5%以內(nèi)，當(dāng)濕熱環(huán)境試驗進(jìn)行到7×24h后，部分試驗樣件無法測試出響應(yīng)信號，也說明此時PbS探測器芯片樣件已經(jīng)失效。鑒于濕熱環(huán)境對PbS探測器可靠性的影響，PbS芯片封裝在干燥或充滿氮氣的密閉殼體內(nèi)使用，也有在前端制作浸沒透鏡的方式，以起鈍化及保護(hù)作用，在PbS器件的生產(chǎn)期間，均需在較為干燥的環(huán)境下進(jìn)行。

3 結(jié)論

對PbS探測器芯片實施了濕熱環(huán)境試驗，濕熱環(huán)境1h不足以改變PbS探測器的性能參數(shù)；在濕熱環(huán)境下持續(xù)放置24h后，PbS的暗阻會有超過試驗前暗阻50%的幅度增大；此后每24h之后，隨著在潮濕環(huán)境下放置的時間增長，阻值逐漸增大，暗阻值平均增量隨時間遞增且呈正比例關(guān)系。暗阻變化，是由于PbS顆粒在濕熱環(huán)境下存在吸附，表面態(tài)發(fā)生變化，同時也使載流子濃度減小，以及H2O產(chǎn)生的電阻組成的綜合增量?，與PbS顆粒的電阻0構(gòu)成一個等效的串聯(lián)電阻，?隨著PbS芯片在濕熱環(huán)境時間增長而增大。PbS探測器芯片經(jīng)不同時間的濕熱環(huán)境試驗，其信號與噪音影響變化穩(wěn)定在5%以內(nèi)。當(dāng)濕熱環(huán)境試驗進(jìn)行到7×24h后，部分試驗樣件無法測試出響應(yīng)信號，樣件失效。鑒于濕熱環(huán)境對PbS探測器可靠性的影響，在PbS器件的生產(chǎn)期間，均需在較為干燥的環(huán)境下進(jìn)行。

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Reliability of PbS Photoconductive Detector in Hydrothermal Environment

CHEN Feng-jin1，SI Jun-jie1,2，SHI Zheng-feng1

（1.，471009，；2.，471009，）

The PbS films have been prepared by CMD, and the surface morphology of which is showed, performance and experiment in hydrothermal environment (50±2℃, relative humidity≥95%) are specified. The performances of PbS photoconductive detectors in hydrothermal environment are analysed, which have not been influenced in hydrothermal environment for 1h. The Rdhas increased by 50% in hydrothermal environment for 24h, and the average increment of PbS detector is in direct proportion to the time of hydrothermal environment after 2×24h、3×24h、4×24h、5×24h. Some samples have been failed after 7×24h in hydrothermal environment .

hydrothermal environment，dark impedance，PbS，photoconductive detector，performance reliability，surface adsorption.

TN215

A

1001-8891(2015)06-0510-04

2014-10-21；

2014-12-21.

陳鳳金，男，（1976-），江西寧都人，高級工程師，主要從事紅外探測器及光學(xué)薄膜技術(shù)研究。E-mail：Cfjin-mail@tom.com。