用MCT材料和CdTe /ZnS双层钝化工艺制备碲镉汞中波探测器的研究成果

摘要：采用CdTe/ZnS双层钝化工艺制备了640 × 512@ 15 μm碲镉汞中波探测器。研究了退火温度对CdTe/MCT界面及CdTe钝化膜质量的影响。经测试表明：本公司制备的碲镉汞HOT中波探测器可以在125 K稳定工作，但与国外的先进技术相比仍存在差距，需要在MCT材料改进和器件加工工艺上继续深入研究，才能提高探测器的工作温度和稳定性。

1引言

制冷红外探测器性能优异，有着广泛的军事和民用用途。但是由于芯片需要工作在80 K左右的低温环境下，因此必须使用制冷机，这带来的劣势就是体积大、重量大、功耗高以及成本高。降低探测器重量、功耗、体积及成本是碲镉汞红外探测器发展趋势，关键解决方案之一就是提高碲镉汞红外探测器芯片的工作温度。周连军等对高温碲镉汞中波红外探测器的国内外进展进行了总结，主要介绍了法国sofradir公司、美国Teledyne公司、德国AIM公司、英国Selex公司、美国DRS公司等在碲镉汞高温中波探测器上的研究进展，并报道了昆明物理研究所基于n-on-p（Hg空位）640 ×512@ 15 μm碲镉汞中波探测器的HOT测试结果，发现该探测器可在110 K工作，但与国外同类探测器相比仍然存在不小的差距。碲镉汞红外探测器高温工作的主要问题在于随着焦平面工作温度的提高，使得与低频噪声相关的缺陷数量会增加，这个问题可以通过提高材料的质量，并优化碲镉汞芯片加工工艺来解决，法国sofradir通过这种工艺改进，提高n-on-p（Hg空位）SCORPIO 640 × 512@ 15 μm型中波红外焦平面的工作温度至130 K（λC = 5 μm，NETD≤22mK）。有研究表明：采用CdTe/ZnS双层钝化工艺能有效地降低碲镉汞器件的表面漏电流，可提高芯片的工作性能。

本文通过液相外延生长的高质量碲镉汞外延薄膜材料，并采用CdTe/ZnS双层钝化工艺进行了碲镉汞高温中波红外探测器的制备研究。

2试验

本试验所用的MCT材料为在碲锌镉（CZT）衬底（Zn组分4% ，(111)B面）上经富碲液相外延（LPE）生长的中波MCT薄膜材料，MCT外延材料Cd组分x≈0. 3，液氮温度下所对应的截止波长λC为4.8 μm。MCT材料经富碲LPE生长后进行弱P 型退火热处理，热处理后测得液氮温度下的空穴浓度为3 - 9 × 1015cm-3、空穴迁移率为450 - 520 cm2/（V·s），热处理后的样品使用Schaake腐蚀剂腐蚀后测得的位错密度＜3 × 104 cm-2。采用热蒸发设备生长3000A厚的CdTe钝化膜，CdTe 钝化后的MCT材料在氢气气氛的保护下退火热处理。硼离子注入形成pn结后在电子束蒸发设备中生长3000 A厚的ZnS钝化膜。采用光刻、湿法刻蚀完成金属化开口、金属化沉积等一系列工艺制备了MCT光电二极管阵列，其中面阵规格640 × 512@ 15 μm。其中，金属化开口采用全湿法刻蚀：ZnS钝化层由浓盐酸腐蚀开孔，CdTe腐蚀液由重铬酸钾、氢氟酸、硝酸、去离子水按照一定的比例配制而成。CdTe腐蚀液对ZnS钝化层的腐蚀速率为50A/s左右，对CdTe钝化膜的腐蚀速率为300 A/s左右，对MCT外延层的腐蚀速率为5 A/s左右，对CdTe钝化膜腐蚀的选择比较高，满足湿法开孔的要求。P、N区电极分别采用Cr/Au、Sn/Au作为接触金属。

模块经划切、In柱倒焊互连、CZT衬底完全去除以及芯片背面增透膜生长后进行面阵测试。使用场发射扫描电镜（SEM）对样品退火前后的CdTe/MCT界面进行表征。面阵测试采用红外探测器专用测试系统。初测合格芯片与杜瓦耦合，经高温排气后，配上本公司自研的RS046小型化斯特林制冷机，制备成F数为4的红外探测器组件，进行HOT测试。

3结果与讨论

3.1退火温度对CdTe/MCT界面及CdTe膜层质量的影响

为了改善CdTe/MCT的界面状态，增加CdTe/MCT界面的互扩散，需对CdTe钝化后的MCT材料在氢气气氛下进行退火热处理。热处理前后CdTe钝化膜及CdTe/MCT界面的变化情况如图1所示。

图1 CdTe/MCT界面在退火热处理前后微观结构的变化图

由图1看出：退火热处理之前，CdTe膜层中有柱状结晶，晶粒间的晶界明显，CdTe/MCT界面清晰，CdTe呈现出直接堆砌在MCT表面的状态，表明CdTe/MCT界面结合不好。经过120 ℃/24 h退火后，CdTe钝化膜中柱状晶粒尺寸和晶粒间间距都减少，CdTe/MCT界面不明显，表明CdTe/MCT界面结合变好。经过150 ℃/24 h退火后，CdTe钝化膜中柱状晶粒基本消失、晶粒间间间距减小到基本忽略不计，CdTe/MCT界面不明显，表明经150 ℃/24 h退火后，CdTe/MCT界面结合性能以及CdTe膜层质量均变好；经过200 ℃/8 h退火后，CdTe/MCT界面很难分清，说明CdTe/MCT间互扩散严重，CdTe钝化膜小晶粒界面消失，CdTe钝化膜中出现了大小不一的空洞。李雄军等在CdTe/ZnS复合钝化层对长波碲镉汞器件性能的影响研究中提到：钝化层及其与MCT界面存在空洞、杂质、损伤及结构无序等将导致产生界面固定电荷和界面态。因此，CdTe钝化膜采用200 ℃/8 h退火将可能会影响CdTe钝化膜的钝化效果。故CdTe钝化膜采用120 - 150 ℃退火24 h可以很好增加CdTe/MCT界面间的互扩散，同时可改善CdTe钝化膜质量。退火温度升高至200 ℃后，CdTe钝化膜出现空洞，说明CdTe钝化膜的沉积工艺需要改进，以提高CdTe钝化膜的膜层质量。

3.2中波探测器组件的HOT测试分析

将初测合格的640 × 512@ 15 μm规格碲镉汞中波芯片与杜瓦耦合，经高温排气后，配上本公司自研的RS046小型化斯特林制冷机，制备成F数为4的中波红外探测器组件，进行HOT测试。组件F/#4；50%势阱填充；背景环境温度293K；盲元判定标准：Rv ± 30%，VT1± 30%，NETD＞50 mK。

图2 室温环境下中波探测器性能

组件测试结果如图2所示。由图2(a)与图2(b)可知：当焦平面温度从85K增大140 K的过程中（焦平面温度每升高5 K测试一次），探测器信号Vs由0.43 V下降到0.38 V，信号下降11.63%，噪声Vn由0.45 mV增大到0.47 mV，噪声信号增大4.4%，噪声信号变化很小；NETD由15.8 mK增大到18.2mK，NETD保持在20 mK以内；有效像元率由99.94%下降到99.32%，有效像元率保持在99%以上。当焦平面温度从140 K继续升高155 K时，探测器信号Vs由0.38V下降到0.36 V，噪声Vn由0.47 mV增大到0.57 mV，NETD由18.2 mK增大到23.8 mK，有效像元率由99.32%下降到97.37%；与85K时的测试结果相比，探测器响应信号下降了16.3%，噪声信号上升21.3%，NETD增加了30.77%，有效像元率下降了2.57%。这说明当焦温大于140 K时，随着焦温的升高，探测器的性能处于一个快速的下降过程中。由图2(c)可以看出：当焦平面温度从85 K增大到125 K时，随着焦平面温度的升高，其响应率盲元数、直流电平盲元数、NETD盲元数以及总盲元数Total 基本不随焦平面温度升高的变化。当焦平面温度从125 K增大到140 K时，NETD盲元数与总盲元数快速增大，而响应率盲元数、直流电平盲元数随焦平面温度升高的变化不明显，说明NETD盲元是造成器件盲元率随焦平面温度升高而上升的主要原因，这与芯片的噪声增加是直接相关的，表明MCT外延材料的质量和芯片的钝化工艺有待进一步的提高。当焦温大于140 K时，器件的响应率盲元数、直流电平盲元数、NETD盲元数以及总盲元数均快速的上升，器件性能随着焦平面温度的升高而快速下降。由图2及其分析结果可以看出：该型中波红外探测器组件可以在小于等于125 K焦温下稳定工作，但MCT外延材料质量以及器件表面的钝化工艺尚有较大的改进空间。

已有报道对MCT器件截止波长随焦平面温度的变化规律进行了研究，其结果如图3所示。因此，在液氮温度下测得的截止波长λC为4.85 μm，当焦平面温度上升至125 K时，MCT器件的光谱响应特性满足中波响应范围。

图3 中波碲镉汞材料截止波长与工作温度关系

图4 中波探测器在不同焦平面温度下对室温目标进行凝视成像

使用此中波探测器在不同焦温下对室温目标的凝视成像图如图4所示。当焦平面温度继续升高至160 K时，画面上出现有无法校除的坏点。在测试过程中发现当焦平面温度继续升高至185K时，探测器已基本无法成像。结合图4的成像结果与图2探测器HOT测试性能，说明该探测器组件可以在小于等于125 K焦温稳定工作。

3.3碲镉汞高温中波探测器国内外研究现状对比

本公司自研的n-on-p（Hg空位）640 × 512 @15 μm型碲镉汞中波红外焦平面探测器与法国sofradir公司2011年报道的n-on-p（Hg空位）SCORPIO 640 × 512@15 μm型中波红外焦平面的测试结果相当。法国sofradir公司2011年报道了其通过改进工艺后的n-on-p（Hg空位）SCORPIO640 × 512@ 15 μm型中波红外焦平面的测试结果，其工作温度达到130 K（λC = 5 μm，NETD≤22 mK），2016年报道其p-on-n工艺的640× 512@ 15 μm型碲镉汞高温中波探测器，工作温度高达160 K。德国AIM公司在碲镉汞高温中波红外探测器上也取得了丰硕的研究成果。德国AIM公司2014年报道的non-p（Au掺杂）640 × 512@ 15 μm型中波红外焦平面探测器的工作温度可达160 K；2017年报道其p-on-n工艺的640× 512@ 20 μm高温中波（λC =5. 25 μm）测试结果，显示其工作温度可达到170 K。截至目前，国内未见有工作温度超过130 K的碲镉汞高温中波红外探测器的相关报道，国内在碲镉汞高温中波红外探测器的研究上与国外的n-on-p（Au掺杂）或p-on-n等先进的高温中波红外焦平面探测器制备技术相比尚存在很大的差距。

4结论

本文介绍了本公司采用MCT材料和CdTe /ZnS双层钝化工艺制备640 × 512@ 15 μm碲镉汞中波探测器的研究成果。经HOT测试表明：本公司制备的HOT中波探测器可以在125 K稳定工作，但与国外的先进技术相比仍存在差距，需要在MCT材料改进和器件加工工艺上继续深入研究，才能提高探测器的工作温度和稳定性。