航天碲镉汞红外探测器工艺及暗电流研究

【摘要】：本论文密切联系目前的航天应用需求,针对航天应用中的重要化合物半导体光电器件—碲镉汞光伏器件的制备工艺和暗电流特性展开了相关的研究。碲镉汞光伏器件的暗电流特性是影响器件性能的关键因素。论文中在对碲镉汞光伏器件暗电流的物理机制进行分析的基础上,就制备扩散电流限制的器件为目标,讨论了器件优化设计中的表面复合速率的影响和p型碲镉汞材料掺杂浓度的选择。针对大面积光伏器件中耗尽区太大导致的暗电流过大现象,讨论了子像元结构的应用可行性,通过短波和长波两个波段子像元结构大面积光伏器件的制备,发现若器件工作于体电流限制下,子像元结构在降低器件暗电流方面表现出明显的优势,并提出了漏电体积这一参量来对不同子像元结构的暗电流抑制效果进行对比评价。当器件工作于表面漏电流限制的范围时,由子像元结构引入的过多边界而导致的表面漏电会成为影响器件暗电流的决定性因素,此时子像元结构器件的暗电流反而会更大。分析了短波光伏器件制备中电极工艺的金属-碲镉汞接触特性。发现同样的接触金属结构在不同的温度下会表现出不同的接触特性,并利用激光束诱导电流(LBIC)方法扫描了不同温度下器件电极区的变化;通过理论分析认为高温下p型碲镉汞形成欧姆接触是由热发射电流和耗尽区复合电流共同作用的结果,而n型碲镉汞则主要是场发射所致;给出了碲镉汞光伏器件制备中电极工艺的改进方向,即对于n型电极,可以通过增加n型损伤而形成欧姆特性接触,对于p型电极一方面可以通过增加一个高浓度p型掺杂区来实现,另一方面也可以通过增加金属-碲镉汞Schottky结耗尽区中的复合漏电流来实现。分析了长波碲镉汞光伏器件测试工艺中背景辐射的影响。由于器件工作波段接近背景辐射的峰值,背景辐射在器件中会产生大量的光生载流子而影响器件的性能,提出了光生载流子的等效热激发模型(低反向偏压下),并结合光电流碰撞电离倍增模型(高反向偏压下),对于反向偏压下通过pn结的电流进行了有效的解释和拟合。背景辐射的直接影响是导致器件响应信号下降和噪声增加,对器件进行背景屏蔽后光电性能会明显改善。用椭圆偏振光谱方法研究了体晶材料碲镉汞光伏器件制备中抛光工艺所形成的亚表面损伤层,通过有效介质模型(EMA)拟合发现化学机械抛光会在碲镉汞表面形成15微米左右的亚表面损伤层,而溴抛光工艺所形成的亚表面损伤层只有几微米。通过MIS器件的制备研究了不同的抛光工艺对器件表面/界面特性的影响,发现化学机械抛光得到的MIS器件的钝化层固定正电荷密度为1.2×1012cm-2,而溴抛光工艺器件的钝化层固定正电荷密度只有2.4×1011cm-2。通过正向和反向电压扫描电容测试,得到对于化学机械抛光工艺制备的器件,其慢界面态密度为3.76×1010cm-2eV-1,而溴抛光样品为1.65×1010cm-2 eV-1。通过变结面积阵列器件的制备研究了不同的抛光工艺对器件暗电流特性的影响,发现对于化学机械抛光工艺制备的器件,暗电流以表面漏电为主,溴抛光工艺器件则主要由体效应决定;同样面积的器件,溴抛光工艺制备的器件具有更低的暗电流,噪声谱测试表明其噪声更小。采用反应耦合等离子体(ICP)工艺研究了氢钝化降低碲镉汞光伏器件暗电流的物理机制。发现氢钝化后碲镉汞光伏器件n区的电子浓度降低,p区的空穴浓度增加。通过将氢原子钝化区域扩展到离子注入区之外,发现对离子注入区之外的区域进行氢钝化也会明显降低器件的暗电流。暗电流拟合分析表明氢原子钝化使得器件耗尽区中载流子产生-复合寿命增加从而导致暗电流变小。通过对中波碲镉汞光伏器件进行实时γ辐照,研究了其动态γ辐照效应,发现器件表现出两种典型的辐照效应:电离效应和位移效应。电离效应反映在辐照过程中产生了类似光电流的零偏电流,位移效应则通过辐照过程中器件串联电阻的增加来体现出来,并利用少子引入和多子去除两辐照损伤能级模型进行了定性解释。同时发现氢钝化工艺对于器件的电离效应没有明显的改善作用,但却有助于改善器件的辐照位移效应。研制了可以在室温及近室温条件下工作的具有集成浸没透镜结构的碲镉汞中波红外单元光伏器件。直径为1.5mm高度为0.97mm的超半球结构浸没透镜是通过在碲锌镉衬底上采用单点金刚石切削工艺加工得到,带有集成浸没透镜的器件其黑体探测率增加了4倍左右;对于pn结电学面积为180μm×180μm的器件,LBIC扫描表明其光学响应区域接近1300μm×1300μm。