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红外焦平面阵列用超薄PtSi/P-Si结构的优化

刘爽  
【摘要】: PtSi红外探测器用于红外探测具有极大优势,典型的应用主要是红外成象制导领域。其探测器量子效率、均匀性、可靠性很大程度上取决于PtSi/Si结构特性,因此改善PtSi/Si结构,提高探测器性能具有很大的学术意义和应用价值。本文在分析探测器量子效率同PtSi/Si结构关系的理论基础上,提出提高PtSi/Si结构性能的关键因素和改进途径。针对PtSi/Si肖特基势垒和研制纳米级超薄PtSi膜进行了大量相关实验,首次用低能离子注入方法将PtSi/Si势垒高度降低到0.15ev,首次在真空度不高条件下,制备出~4nm纳米级超薄膜,并将PtSi/Si红外探测器量子效率提高3~5倍。 研究得到的一些有益和有创新意义的结果归纳如下: 1、分析PtSi/Si结构测参数与膜特性的关系,用Monte Carlo方法计算了薄膜厚度、势垒高度同探测能力的关系,得到提高探测器探测能力的有效途径。考虑入射红外波的叠加,采用积分方法,首次得到用于3~5μm波长范围PtSi薄膜厚度最佳值是2~5nm。 2、详细讨论了PtSi薄膜形成热力学、动力学以及原子相互扩散机理,得到PtSi形成不是固定模式,与制备工艺条件密切相关的重要结论,并通过实验加以验证。 3、提出均匀PtSi/Si势垒。以薄膜最终物相和连续性评价势垒均匀性。通过实验测试了制备工艺参数对薄膜物相、连续性的影响,以及所引起薄膜方阻的变化。 4、研究PtIrSi膜物相结构和势垒高度,得出降低PtIrSi/Si结构势垒困难的结论。推导出掺杂衬底势垒高度的降低同杂质临界厚度和峰值浓度的关系。首次采用硅衬底低能注入B~+、In~+,创造性地设计调整层,将PtSi/P-Si势垒高度降低到0.15ev。 5、设计制备纳米级超薄膜新工艺方法。通过氢气预处理、真空退火、减薄等关键工艺研究,实现混合生长模式、分步退火,首次在真空度不高的设备条件下制得均匀连续超薄(~4nm)PtSi膜,并得到新型SiO_x/PtSi/Pt_2Si/Si 摘 要 一 微结构。 6、进行超薄Ptsi膜表征技术研究。在XRD表征单晶衬底上超薄膜物 相时,采用衬底与膜分别取谱,排除衬底干扰信号等技术措施,获得准确表 征超薄膜弱信号。建立XPS分析超薄Ptsi/St膜物相、含量的准确参数和方 法,应用ARXPS对超薄膜均匀性、微结构和厚度进行分析测试,首次测出 ~4urn薄膜厚度,并观察到薄膜分层结构。用TEM观察薄膜均匀、连续性, 薄膜厚度、晶粒不同取向生长状态和界面状态等显微结构。用AFM观察Ptsi 薄膜表面形貌,得到退火过程中热力学、动力学变化状况。建立XPS 价带 谱同Ptsi/PS 势垒关系,首次利用XPS价带谱分析势垒相对高度。 7、对超薄Ptsi膜微结构及性能进行优化。研究了物相优化、表面均匀 性提高以及势垒和薄膜厚度降低,首次提出氢气处理衬底会引起薄膜形成主 扩散物质改变,并利用该性质使*x/Ptsi /Pt。St/St变为*x/ Pt。St/ Ptsi /St微 结构,获得高性能Ptsi/Si膜,用之研制的探测器,探测能力提高了3~5倍。
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