平面PN结InSb红外焦平面探测器的研究

李忠贺,李海燕,杜红燕,亢 喆,邱国臣

(华北光电技术研究所,北京 100015)

·红外材料与器件·

平面PN结InSb红外焦平面探测器的研究

李忠贺,李海燕,杜红燕,亢 喆,邱国臣

(华北光电技术研究所,北京 100015)

研究了基于Be离子注入技术的平面型和Cd扩散技术的台面型锑化铟红外焦平面阵列(IRFPA)探测器芯片工艺流程。并进行了芯片I-V、成像结果等对比测试,Be离子注入平面型器件和扩散台面型芯片的性能水平相当,具备一定的工程应用水平。

锑化铟,离子注入,红外焦平面阵列探测器,平面结

1 引 言

InSb焦平面红外探测器技术在近20年以来取得了飞速发展,已经进入了成熟应用期,目前正向着高分辨率、小尺寸、数字化等方向发展[1-4]。在器件结构上通常采用台面型和平面型两种方式,台面型器件具有工艺简单、串音小等优点,但在膜层的台阶覆盖上存在厚度不均等问题,在高分辨率、小尺寸焦平面器件台面刻蚀上还存在线宽限制等问题,而平面型器件可以有效避免台面腐蚀制备中侧向钻蚀对光敏面均匀性的影响,降低膜层对台阶覆盖特性的要求。在成结工艺上主要有热扩散工艺和离子注入工艺,热扩散具有工艺简单、成本低廉、无损伤等优点,但在杂质浓度、分布等参数精确控制上有先天不足,已经不能满足大规模焦平面阵列的技术要求,取而代之的则为参数控制更为精确的离子注入技术,离子注入技术可在较低温度下对InSb进行掺杂,并能精确控制掺入杂质的浓度分布和注入深度,从而在较大面积上获得浅而均匀的掺杂层,形成较理想的突变结。因此更适宜制作高密度的平面结阵列,提高光敏芯片的占空比。但离子注入会引入晶格损伤,需要增加退火工艺进行损伤消除。所以,基于热扩散成结的台面型器件仅适合在单元、小规格焦平面芯片上使用,而在大规格、小尺寸焦平面芯片的制备上需要采用基于离子注入成结的平面型器件[5-9]。如以色列SCD公司研发的1920×1536规格10 μm中心间距的InSb焦平面探测器,就是采用了离子注入技术的平面型器件[4]。而国内对此方面的研究并不成熟,因此开发离子注入成结的平面型器件对InSb焦平面探测器的发展具有重要意义。

本文介绍了基于Be离子注入技术的平面型InSb焦平面器件的制备,进行了I-V、组件性能、图像演示等方面的测试,并与目前采用的Cd扩散台面型器件工艺进行了对比。

2 器件制备

2.1 器件结构

实验用InSb芯片采用128×128规格,中心距50 μm。分别采用Be注入平面结和Cd扩散台面结形式,生长铟柱后与硅读出电路经倒装互联后形成混成式焦平面阵列。

其结构形式如图1所示。

图1 混成式焦平面阵列结构示意图

2.2 制备过程

2.2.1 离子注入平面型器件工艺

所用InSb晶片为N型<111>晶向,77 K载流子浓度为(4～8)×1014/cm3、迁移率大于3×105cm2/V.s、位错密度<100个/cm2。

晶片经磨抛、清洗、表面化学抛光后生长SiO2保护层。光刻6 μm厚光刻胶掩膜,坚膜处理后进行离子注入,注入元素为Be、注入能量为100 keV,剂量为2×1014/cm2,样品温度为室温、样品倾斜垂直方向7°以避免沟道效应。去除掩膜、清洗后进行退火,腐蚀去除SiO2保护层,经清洗后进行钝化,光刻、腐蚀出电极孔并溅射金属电极,生长铟柱后与硅读出电路倒装互联,通过背减薄后制作增透膜,经装配封装后进行组件测试。器件主要工艺过程示意如图2所示。

图2 平面器件主要工艺过程

2.2.2 热扩散台面型器件工艺过程

所用材料参数与注入平面型器件相同。

器件工艺采用目前应用的工艺流程,晶片经磨抛、清洗、表面化学抛光后进行闭管Cd扩散,经减薄、光刻、台面腐蚀、钝化、金属化和铟柱生长后与硅电路倒装互联。通过背减薄后制作增透膜,经装配封装后进行组件测试。主要工艺过程示意如图3所示。

图3 台面器件主要工艺过程

3 结果和讨论

3.1 芯片I-V测试

在液氮温度下通过HP4155半导体参数分析仪对两类芯片进行了I-V测试,典型曲线如图4所示,测试温度77 K,三角形为注入平面型器件I-V曲线,圆形为扩散台面型I-V曲线,二者的零偏电流分别为-14.3 nA和-12.1 nA,-1 V偏置情况下的电流分别为-21.2 nA和-22.4 nA,开路电压分别为90 mV和95 mV,可以看出,注入平面型器件的测试结果可以达到目前应用的扩散台面型器件I-V测试结果。

图4 平面型和台面型器件I-V测试结果

3.2 组件测试

将芯片与硅读出电路倒装互联,背减薄并镀制增透膜后装入杜瓦进行图像测试,结果如图5所示,其中图5(a)为扩散成结台面型器件典型测试结果,图5(b)为注入成结平面型器件典型测试结果。可以看出两种类型的芯片组件测试图像相近,仅在盲元、划痕等方面存在差异。

主要性能指标如表1所示。

图5 组件图像测试结果

表1 器件主要性能指标

从表1中可以看出,注入平面型组件的性能指标与扩散台面型指标相当,可以满足实际工程应用的主要性能指标要求。

3.3 成像演示

使用注入平面型焦平面组件分别对测试杜瓦、手及五分硬币进行了成像演示,结果如图6所示,可以看出基于离子注入的平面型焦平面组件已具有良好的成像效果、图像清晰可辨识。

图6 图像采集

4 结 论

采用Be离子注入成结技术,制备了平面型焦平面阵列,测试了器件的I-V特性,和互联封装后的组件性能,并进行了成像演示,结果表明Be离子注入能量100 keV,剂量为2×1014/cm2,经过器件工艺后制备的焦平面器件平均峰值响应率达到2.30×1011cmHz1/2/W,响应率达到1.03×109V/W,响应率不均匀性8.24%,盲元率0.18%,具有良好的成像效果,图像清晰,与目前工程应用的Cd扩散台面型焦平面器件性能水平相当,为今后高密度、高性能焦平面芯片的研制奠定了基础。其采用的主要工艺步骤,除离子注入和退火工艺外,与现有工艺设备、流程相兼容,可以顺利的开展大规格焦平面探测器的研制。

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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

李忠贺(1981-),男,工程师,主要从事光电探测器的研究和生产。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