第三代红外探测器发展的一个重要方向是高工作温度探测器。对于碲镉汞n-on-p探测器而言，n⁺-n⁻-p结构以及良好的钝化工艺能够有效的抑制暗电流的产生，从而在高工作温度条件下获得较好的探测器性能。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“通过成结模拟器研究n⁺-n⁻-p碲镉汞高温探测器”为主题的文章。该文章第一作者为林加木副研究员，通讯作者为林春研究员，主要从事碲镉汞红外焦平面的研究工作。
本文介绍了研究团队在碲镉汞n-on-p高工作温度器件方面所做的工作，由碲镉汞成结模拟器出发，模拟了n⁺-n⁻-p型高温器件成结过程，获得了制备参数和器件参数，结合使用抑制表面漏电的梯度钝化工艺技术，获得了高温工作的中波320×256焦平面器件，并进行了一系列参数表征和成像演示。
对需要在更高温度下工作的碲镉汞红外探测器而言，抑制暗电流是核心工作。本研究结合工艺仿真和器件仿真，对器件成结工艺和抑制表面漏电的钝化工艺进行了研究。
n⁺-n⁻-p结构成结的工艺仿真
碲镉汞n-on-p器件要在更高的工作温度下具有较好的性能，对n⁻区的厚度以及掺杂浓度的调制是一个关键的工艺步骤。在平面结工艺的基础上，对离子注入后形成的pn结进行高温退火，使得pn结深度得到推进，同时降低了n⁻区浓度，形成如图1所示的n⁺-n⁻-p结构。在离子注入后的退火工艺过程中，受温度的影响，被离子注入打出的Hg填隙原子向碲镉汞内部扩散，注入区附近区域内作为受主的Hg空位被填充后，最终形成了由剩余施主掺杂的n⁻区。研究团队开发了成结模拟器来专门研究不同退火温度和退火时间下Hg填隙原子向内部扩散的速度和深度，从而确定了满足工艺要求的退火条件范围。
图1 n⁺-n⁻-p结构示意图
在该研究中，采用自行开发的成结模拟器首先进行成结模拟，随后获得具体的成结制备参数，从而加快了研究的效率。碲镉汞材料成结与传统硅材料不同，硼离子注入于碲镉汞材料之后是非电活性的，它的作用在于撞出晶格中的汞原子，形成汞填隙，随后在退火的过程中，汞填隙从损伤区内溢出向体内扩散，堙灭p型汞空位，显现出剩余施主n⁻区，最终形成n⁺-n⁻-p结。
图2为中波碲镉汞相同时间下不同退火温度的结深推进结果，图中粉色虚线代表了剩余施主浓度，则当汞空位浓度曲线与剩余施主浓度虚线相交时，则代表了结深的位置。从图2中可以看出，退火温度对结深推进的影响非常大，高退火温度可以将结深推进至较深的距离，而较低的退火温度则获得较浅的结深推进距离。
图2 不同温度结深推进结果
暗电流仿真
通过成结模拟器获得结区掺杂浓度分布之后，将其代入器件模拟软件。根据扩散及漂移模型，建立电流连续性方程。由于高温工作器件采用的是n⁺-n⁻-p结构，因此主要考虑电子的作用。所获得模拟的器件暗电流随温度变化的结果如图3所示。
图3 高温结构不同温度暗电流与光电流模拟结果
抑制表面漏电的梯度钝化表面能带仿真
由于碲镉汞材料是窄禁带半导体，其表面电荷状态极容易受到界面电荷的影响，从而形成载流子反型或积累的状态，造成界面处pn结性能退化，形成表面漏电，其暗电流急剧增加。本研究制备的器件采用了界面梯度变化的钝化工艺，用来抑制表面漏电，大幅度降低器件暗电流，从而进一步提高器件工作温度。
高温热处理可以使得CdTe/HgCdTe之间发生组分互扩散，从而在碲镉汞表面形成一定深度的组分互扩散区域，在该区域内Cd组分从碲镉汞体内至表面逐渐增加。碲镉汞内部能带由于组分发生变化从而形成了弯曲，其产生的内建电场使得碲镉汞表面的载流子向碲镉汞内部移动。在平衡态时，碲镉汞内部载流子浓度大于表面附近的载流子浓度；同时得益于禁带宽度在表面较宽，隧穿电流也得到了一定的抑制。因此，经过CdTe/HgCdTe退火后制备出来的光敏元芯片，由于组分互扩散钝化层的存在，表面漏电得到了极大的抑制，从而使得探测器暗电流中的漏电流成分得到了大幅的削弱。图4为组分梯度缓变钝化能带结构仿真结果。
图4 组分梯度缓变钝化的能带结构
研究团队基于液相外延（LPE）生长的中波碲镉汞材料制备了能在更高温度下工作的红外焦平面器件。通过注入成结，注入后进行热处理形成n⁺-n⁻-p结构。钝化层选用CdTe，生长钝化层后，通过热处理形成组分渐变的CdTe/HgCdTe 表面区域。后续进行ZnS生长，金属化，制备碲镉汞光敏芯片，再通过铟柱倒焊读出电路，获得了高温工作的中波320×256焦平面探测器。将器件封装至金属杜瓦内，耦合制冷机，制备成红外焦平面制冷组件。杜瓦窗口为宝石窗口，所安装的冷屏中心F数为4。
探测器芯片组分为0.307，阵列规模320×256，像元中心距30 μm。按照国标要求的条件和测试方法，对该器件进行了高工作温度下的参数表征，并在此基础上进行了成像演示。测试时黑体温度分别为293 K和308 K，积分时间18 ms。
使用该探测器在不同工作温度下进行了凝视成像演示，并对成像结果做了伪彩色处理，成像结果如图5所示，可以看到在不同工作温度下都表现出良好的成像效果，尤其在150 K下该探测器成像质量较好，温度差异清晰可辨。
图5 320×256中波焦平面探测器在不同工作温度下的伪彩色成像图
高工作温度红外探测器可以有效的减小红外系统的尺寸、重量和成本，实现“SWaP³”。研究团队基于工艺仿真和器件仿真，通过n⁺-n⁻-p型器件制备工艺和抑制表面漏电的钝化工艺研制了能够在更高温度下工作的红外焦平面探测器。与成结模拟器仿真结果高度吻合的器件测试结果表明，该器件可以在高工作温度下正常工作，并拥有优异的性能，其中暗电流和NETD在150 K工作温度条件下均符合了理论仿真结果，同时在高工作温度条件下中波红外成像效果表现良好，能够满足小型化、轻重量、低功耗、高性能和低成本的应用要求。
DOI: 10.11972/j.issn.1001-9014.2024.01.004
延伸阅读：
《新兴图像传感器技术及市场-2024版》
《光谱成像市场和趋势-2022版》
