李忠賀,李海燕,杜紅燕,亢 喆,邱國臣

(華北光電技術研究所,北京 100015)

·紅外材料與器件·

平面PN結InSb紅外焦平面探測器的研究

李忠賀,李海燕,杜紅燕,亢 喆,邱國臣

(華北光電技術研究所,北京 100015)

研究了基于Be離子注入技術的平面型和Cd擴散技術的臺面型銻化銦紅外焦平面陣列(IRFPA)探測器芯片工藝流程。并進行了芯片I-V、成像結果等對比測試,Be離子注入平面型器件和擴散臺面型芯片的性能水平相當,具備一定的工程應用水平。

銻化銦,離子注入,紅外焦平面陣列探測器,平面結

1 引 言

InSb焦平面紅外探測器技術在近20年以來取得了飛速發(fā)展,已經(jīng)進入了成熟應用期,目前正向著高分辨率、小尺寸、數(shù)字化等方向發(fā)展[1-4]。在器件結構上通常采用臺面型和平面型兩種方式,臺面型器件具有工藝簡單、串音小等優(yōu)點,但在膜層的臺階覆蓋上存在厚度不均等問題,在高分辨率、小尺寸焦平面器件臺面刻蝕上還存在線寬限制等問題,而平面型器件可以有效避免臺面腐蝕制備中側(cè)向鉆蝕對光敏面均勻性的影響,降低膜層對臺階覆蓋特性的要求。在成結工藝上主要有熱擴散工藝和離子注入工藝,熱擴散具有工藝簡單、成本低廉、無損傷等優(yōu)點,但在雜質(zhì)濃度、分布等參數(shù)精確控制上有先天不足,已經(jīng)不能滿足大規(guī)模焦平面陣列的技術要求,取而代之的則為參數(shù)控制更為精確的離子注入技術,離子注入技術可在較低溫度下對InSb進行摻雜,并能精確控制摻入雜質(zhì)的濃度分布和注入深度,從而在較大面積上獲得淺而均勻的摻雜層,形成較理想的突變結。因此更適宜制作高密度的平面結陣列,提高光敏芯片的占空比。但離子注入會引入晶格損傷,需要增加退火工藝進行損傷消除。所以,基于熱擴散成結的臺面型器件僅適合在單元、小規(guī)格焦平面芯片上使用,而在大規(guī)格、小尺寸焦平面芯片的制備上需要采用基于離子注入成結的平面型器件[5-9]。如以色列SCD公司研發(fā)的1920×1536規(guī)格10 μm中心間距的InSb焦平面探測器,就是采用了離子注入技術的平面型器件[4]。而國內(nèi)對此方面的研究并不成熟,因此開發(fā)離子注入成結的平面型器件對InSb焦平面探測器的發(fā)展具有重要意義。

本文介紹了基于Be離子注入技術的平面型InSb焦平面器件的制備,進行了I-V、組件性能、圖像演示等方面的測試,并與目前采用的Cd擴散臺面型器件工藝進行了對比。

2 器件制備

2.1 器件結構

實驗用InSb芯片采用128×128規(guī)格,中心距50 μm。分別采用Be注入平面結和Cd擴散臺面結形式,生長銦柱后與硅讀出電路經(jīng)倒裝互聯(lián)后形成混成式焦平面陣列。

其結構形式如圖1所示。

圖1 混成式焦平面陣列結構示意圖

2.2 制備過程

2.2.1 離子注入平面型器件工藝

所用InSb晶片為N型<111>晶向,77 K載流子濃度為(4～8)×1014/cm3、遷移率大于3×105cm2/V.s、位錯密度<100個/cm2。

晶片經(jīng)磨拋、清洗、表面化學拋光后生長SiO2保護層。光刻6 μm厚光刻膠掩膜,堅膜處理后進行離子注入,注入元素為Be、注入能量為100 keV,劑量為2×1014/cm2,樣品溫度為室溫、樣品傾斜垂直方向7°以避免溝道效應。去除掩膜、清洗后進行退火,腐蝕去除SiO2保護層,經(jīng)清洗后進行鈍化,光刻、腐蝕出電極孔并濺射金屬電極,生長銦柱后與硅讀出電路倒裝互聯(lián),通過背減薄后制作增透膜,經(jīng)裝配封裝后進行組件測試。器件主要工藝過程示意如圖2所示。

圖2 平面器件主要工藝過程

2.2.2 熱擴散臺面型器件工藝過程

所用材料參數(shù)與注入平面型器件相同。

器件工藝采用目前應用的工藝流程,晶片經(jīng)磨拋、清洗、表面化學拋光后進行閉管Cd擴散,經(jīng)減薄、光刻、臺面腐蝕、鈍化、金屬化和銦柱生長后與硅電路倒裝互聯(lián)。通過背減薄后制作增透膜,經(jīng)裝配封裝后進行組件測試。主要工藝過程示意如圖3所示。

圖3 臺面器件主要工藝過程

3 結果和討論

3.1 芯片I-V測試

在液氮溫度下通過HP4155半導體參數(shù)分析儀對兩類芯片進行了I-V測試,典型曲線如圖4所示,測試溫度77 K,三角形為注入平面型器件I-V曲線,圓形為擴散臺面型I-V曲線,二者的零偏電流分別為-14.3 nA和-12.1 nA,-1 V偏置情況下的電流分別為-21.2 nA和-22.4 nA,開路電壓分別為90 mV和95 mV,可以看出,注入平面型器件的測試結果可以達到目前應用的擴散臺面型器件I-V測試結果。

圖4 平面型和臺面型器件I-V測試結果

3.2 組件測試

將芯片與硅讀出電路倒裝互聯(lián),背減薄并鍍制增透膜后裝入杜瓦進行圖像測試,結果如圖5所示,其中圖5(a)為擴散成結臺面型器件典型測試結果,圖5(b)為注入成結平面型器件典型測試結果?？梢钥闯鰞煞N類型的芯片組件測試圖像相近,僅在盲元、劃痕等方面存在差異。

主要性能指標如表1所示。

圖5 組件圖像測試結果

表1 器件主要性能指標

從表1中可以看出,注入平面型組件的性能指標與擴散臺面型指標相當,可以滿足實際工程應用的主要性能指標要求。

3.3 成像演示

使用注入平面型焦平面組件分別對測試杜瓦、手及五分硬幣進行了成像演示,結果如圖6所示,可以看出基于離子注入的平面型焦平面組件已具有良好的成像效果、圖像清晰可辨識。

圖6 圖像采集

4 結 論

采用Be離子注入成結技術,制備了平面型焦平面陣列,測試了器件的I-V特性,和互聯(lián)封裝后的組件性能,并進行了成像演示,結果表明Be離子注入能量100 keV,劑量為2×1014/cm2,經(jīng)過器件工藝后制備的焦平面器件平均峰值響應率達到2.30×1011cmHz1/2/W,響應率達到1.03×109V/W,響應率不均勻性8.24%,盲元率0.18%,具有良好的成像效果,圖像清晰,與目前工程應用的Cd擴散臺面型焦平面器件性能水平相當,為今后高密度、高性能焦平面芯片的研制奠定了基礎。其采用的主要工藝步驟,除離子注入和退火工藝外,與現(xiàn)有工藝設備、流程相兼容,可以順利的開展大規(guī)格焦平面探測器的研制。

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Study of InSb IRFPA with planar PN junctions

LI Zhong-he,LI Hai-yan,DU Hong-yan,KANG Zhe,QIU Guo-chen

(North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China)

Technological processes of InSb infrared focal plane arrays (IRFPA)detector chips with planar PN junctions based on Be ion implantation and mesa PN junctions based on Cd diffusion were studied in this paper.Comparison tests were carried out forI-Vcurve and imaging quality of two processes.Experimental results show that chip performances with planar PN junctions based on Be ion implantation are comparable with that with mesa PN junctions based on Cd diffusion,which provide a reference for engineering application.

InSb;ion implantation;IRFPA detector;planar PN junction

李忠賀(1981-),男,工程師,主要從事光電探測器的研究和生產(chǎn)。E-mail:zhli1981@163.com

2014-12-09;

2015-02-02

1001-5078(2015)07-0814-03

TN213

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.017