何 斌,劉 明,寧 提,陳書真,祁嬌嬌

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

紅外焦平面探測器發(fā)展至今,碲鎘汞在紅外探測器技術領域一直處于主流地位,碲鎘汞紅外探測器覆蓋了從短波到甚長波(1～16 μm)的整個紅外波段,各個波段都展現(xiàn)出了較好的性能[1]。碲鎘汞紅外探測器是以pn結的光伏效應為基本原理,空間電荷區(qū)吸收的光生載流子被pn結的內(nèi)建電場分離,形成光電壓信號。大規(guī)模的pn結陣列形成的光電流必須經(jīng)過金屬電極再傳送給讀出電路,完成后續(xù)的信號轉換[2]。在探測器信號轉換過程中,電極接觸較差往往會產(chǎn)生較大電流噪聲,導致像元無響應信號或者響應信號小,從而被判定為盲元。因此,金屬/碲鎘汞電極接觸往往決定了器件的性能與穩(wěn)定性,是工藝過程中的關鍵環(huán)節(jié)。

碲鎘汞作為一種贗二元化合物,由HgTe與CdTe按照一定比例合成,在金屬化過程,Hg-Te鍵較為脆弱,Hg易被置換形成金屬-Te鍵[3-4]。但金屬Cr與碲鎘汞的界面惰性較大,不易發(fā)生深擴散[5],同時Au在低溫下具有良好的導電性和延展性,目前通常采用Cr/Au金屬電極體系[6]。

在熱蒸發(fā)、磁控濺射及離子束沉積等多種薄膜生長方法中,離子束沉積具有薄膜致密性好、附著力高與結構簡單等優(yōu)點[7]。離子束沉積技術通過離子源引出Ar離子撞擊金屬靶材,使得靶材原子不斷脫落靶面,沉積在芯片表面,生長的金屬薄膜通常具有較好的臺階覆蓋性。然而,對于光敏感元微臺面陣列的探測芯片,離子束沉積技術利用高能離子束轟擊靶材,產(chǎn)生的二次粒子可能對樣品造成一定損傷。為了制備具有低損傷、高密度與高臺階覆蓋性等優(yōu)異性能的碲鎘汞電極結構,本文表征了不同沉積條件下的電極/碲鎘汞界面與器件伏安特性曲線,探究了束流、束壓以及熱處理等條件對碲鎘汞紅外探測器電極接觸的影響。

2 實 驗

采用液相外延工藝在CdZnTe襯底材料上生長HgCdTe外延層,使用磁控濺射設備在HgCdTe表面生長CdTe及ZnS復合鈍化膜層,采用離子注入技術,在HgCdTe上制備pn結,用ICP干法刻蝕設備在碲鎘汞表面刻蝕出電極接觸孔,之后用離子束沉積系統(tǒng)分別采用不同的生長束壓、束流與沉積距離,在接觸孔上生長CrAu電極,完成表1中a、b、c與d四組樣品的制備。

表1 a、b、c、d四組樣品電極沉積的束流、束壓與沉積距離

采用低溫霍爾測試系統(tǒng)得到碲鎘汞表面的載流子濃度,通過半導體參數(shù)測試儀采集器件的I-V特性曲線,采用聚焦離子束與掃描電鏡表征金屬/碲鎘汞接觸界面。

3 實驗結果與討論

3.1 電極沉積對探測器I-V曲線的影響

在離子束沉積金屬薄膜過程中,束壓是指從離子源射出惰性氣體離子攜帶的能量,束流是指單位時間單位面積從離子源中發(fā)射的離子數(shù)量[7]。當用一定能量的惰性氣體離子轟擊金屬靶材,從靶面產(chǎn)生的背散射粒子主要是金屬離子和部分散射氣體原子。碲鎘汞表面若一直受到較高能量粒子轟擊,在金屬化工藝過程中有可能受到損傷[8]。

圖1是碲鎘汞紅外探測芯片的模型圖；圖2采用不同的束流、束壓與沉積距離等沉積電極,利用半導體參數(shù)儀得到了77 K下碲鎘汞紅外探測器的I-V與R-V曲線。

圖1 碲鎘汞紅外探測芯片的模型圖

圖2(a)與(b),a組的束壓與束流是900 V/200 mA,b組的束壓與束流是1500 V/200 mA。在I-V曲線中,a組反向平坦電壓與反向飽和電流為750 mV與4.8 nA；而b組反向平坦電壓與反向飽和電流為450 mV與4.1 nA,并表現(xiàn)出軟擊穿的趨勢。pn結反向擊穿電壓一般與pn結兩端的摻雜濃度相關,摻雜濃度越高,空間電荷區(qū)越窄；在一定外加反向偏壓下,空間電荷區(qū)內(nèi)的電場強度越高,pn結越容易雪崩擊穿[9]。對于碲鎘汞紅外探測芯片,這可能是較高能量的Ar+離子轟擊金屬靶材后,反射粒子能量較大,造成表面n型碲鎘汞內(nèi)部Hg-Te鍵斷裂,Hg填隙原子增加,n區(qū)摻雜濃度上升[10-11]。沉積過程中的束壓越高,反射粒子可能造成的損傷越大,b組更易觀察到雪崩擊穿效應。同時,摻雜濃度上升使空間電荷區(qū)變窄,會減小了擴散-復合機制產(chǎn)生的反向電流[12],造成了b組反向飽和電流小于a組反向飽和電流。

圖2 a、b、c與d四組樣品的I-V曲線

圖2(b)與(c),b組的束壓與束流是1500 V/200 mA,c組的束壓與束流是1500 V/275 mA。在I-V曲線中,相比b組反向平坦電壓與反向飽和電流450 mV與4.1 nA,c組的反向平坦電壓與反向飽和電流減小到300 mV與2.4 nA。在沉積金屬的過程中,c組增大了束流,單位時間單位面積內(nèi)轟擊n型碲鎘汞表面的粒子數(shù)增多,可能加重了對表面n型碲鎘汞的損傷。n區(qū)的摻雜濃度升高,空間電荷區(qū)進一步變窄,造成了c組的雪崩擊穿電壓和反向飽和電流小于b組的雪崩擊穿電壓和反向飽和電流。

圖2(b)與(d),b組與d組束壓與束流1500 V/200 mA,d組將沉積距離從30 cm增加至50 cm。從I-V曲線可知,相比b組反向平坦電壓450 mV,d組的反向平坦電壓可達500 mV,軟擊穿現(xiàn)象消失；相比b組的反向飽和電流4.1 nA,d組的反向飽和電流上稍增至5 nA。這可能是延長了沉積距離,在相同的自由程下,d組的反射粒子能量在到達樣品前低于c組的反射粒子能量,減小了電極沉積損傷。

3.2 霍爾測試與掃描電鏡

為了驗證電極沉積會對碲鎘汞表面帶來損傷,對a、b、c與d組樣品在生長電極前、生長電極后分別進行范德堡法測試,得到圖3中四組樣品在電極生長前后的載流子濃度增量。a組樣品在生長電極前與生長電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=1.2305×1018/cm3,b組樣品在生長電極前與生長電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=1.9436×1017/cm3,c組樣品在生長電極前與生長電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=2.3608×1017/cm3,d組樣品在生長電極前與生長電極后n型碲鎘汞的載流子濃度增量Δne=0.1616×1017/cm3。

圖3 a、b、c、d四組樣品在電極生長 前后的載流子濃度增量

霍爾測試結果表明,生長電極前后碲鎘汞表面的載流子濃度增量與沉積電極條件有關。對比a組、b組與c組的載流子濃度變化關系,可以發(fā)現(xiàn)沉積金屬的束壓與束流越高,對材料的表面載流子濃度改變越大；這可能是沉積過程中反射粒子能量較高,造成碲鎘汞Hg-Te鍵斷裂,Hg填隙原子增加,n區(qū)摻雜濃度上升。對比b組與d組的載流子濃度變化關系,保持束流與束壓不變,延長沉積距離,在反射粒子自由程不變的情況下,有可能降低了沉積到碲鎘汞表面粒子的能量,減小電極沉積損傷。

為了觀察離子束沉積的碲鎘汞電極結構,圖4采用聚焦離子束與掃描電鏡表征出了碲鎘汞/電極截面圖。對于不同沉積條件下的碲鎘汞/電極截面,可以發(fā)現(xiàn)鈍化層與電極層之間連接緊密,連接部分十分平滑,表明電極層與ZnS的粘附性較好。在電極層與碲鎘汞層的接觸孔部分,未發(fā)現(xiàn)明顯的空隙與電極脫落,電極沉積的十分致密,這表明在臺面陣列的探測芯片中,離子束沉積生長的薄膜有很好的側壁覆蓋性,電極結構的穩(wěn)定性較高。因此,通過離子束沉積技術,碲鎘汞紅外探測芯片可以得到高密度與高臺階覆蓋性的電極結構,但要盡量避免工藝過程對材料造成的損傷。

圖4 不同電極沉積條件下的截面圖

3.3 熱處理對金屬-半導體接觸性能的影響

為了探究熱處理工藝能否改善碲鎘汞紅外探測器的電極接觸性能,將b與c組具有軟擊穿現(xiàn)象的樣品在200 ℃下進行高溫退火處理,得到圖5中77 K下兩組樣品的I-V與R-V曲線。

如圖5(a)與(b),b組與c組樣品在退火后,在0～750 mV內(nèi)兩組樣品I-V曲線的反向擊穿現(xiàn)象消失,反向平坦電壓都有一定程度升高。相比圖1(b)與(c),b組與c組在熱處理后的反向飽和電流都變大,同時零偏結阻抗稍有減小。這可能是在高溫退火后,經(jīng)過活化晶格,碲鎘汞內(nèi)外Hg原子交換順暢[13],斷裂的Hg-Te鍵可能重新成鍵,修復了電極沉積時能量過大造成的損傷[14-15]。

為了驗證上述假設,對b組與c組在電極生長前、生長電極后、熱處理后分別進行范德堡法測試材料表面n型碲鎘汞的載流子濃度。如圖6,b組在電極生長前載流子濃度ne=6.6939×1017/cm3,生長電極后載流子濃度ne=8.6375×1017/cm3,高溫退火后載流子濃度ne=7.8744×1017/cm3。c組在生長電極前載流子濃度ne=6.0988×1017/cm3,生長電極后載流子濃度ne=8.4596×1017/cm3,高溫退火后載流子濃度ne=6.8063×1017/cm3。b與c組樣品的載流子濃度都表現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢,在熱處理后的載流子濃度趨向于未沉積電極前的水平,這表明了熱處理后在一定程度上修復了電極沉積損傷。相比退火之前,退火后碲鎘汞表面摻雜濃度普遍下降,空間電荷區(qū)將變寬,在相同的電壓量程內(nèi)空間電荷區(qū)的電場強度變小,不易發(fā)生雪崩擊穿效應；同時,空間電荷區(qū)變寬會增大了擴散-復合機制產(chǎn)生的反向電流。因此,對損傷較大的碲鎘汞器件在沉積電極后進行熱處理,可以增大擊穿電壓,提高電極接觸的穩(wěn)定性。

圖6 在電極生長前、生長電極后、熱處理后表面 n型碲鎘汞的載流子濃度

4 結 論

本文采用了離子束沉積系統(tǒng)沉積金屬電極,探究了束流、束壓以及熱處理等條件對碲鎘汞紅外探測器伏安特性曲線的影響。研究表明,在沉積金屬電極后碲鎘汞表面會受到一定程度的損傷,而且隨著束流與束壓的升高,對材料表面造成的損傷加劇。在I-V曲線中,電極沉積損傷較大的器件表現(xiàn)出軟擊穿現(xiàn)象,這很有可能是較高能量的束流轟擊金屬靶材后,反射粒子能量較大,對n型碲鎘汞表面持續(xù)轟擊,造成n型碲鎘汞內(nèi)部Hg-Te鍵斷裂,n區(qū)摻雜濃度增加；空間電荷區(qū)變窄,在一定的偏壓下電場強度更大,更易發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象。在熱處理后,I-V曲線與霍爾測試表明,電極沉積后退火在一定程度上可以修復電極沉積時能量過大造成的損傷,增大雪崩擊穿電壓,提高了電極接觸的穩(wěn)定性。