王經緯，晉舜國，陳慧卿，王 亮，周立慶

（華北光電技術研究所，北京100015）

1 引 言

隨著紅外探測技術的不斷發(fā)展，紅外隱身技術水平不斷提高，為了應對更為復雜的背景、應用環(huán)境，提高識別準確率，市場對于可以實現(xiàn)多波段對比進而更為有效的提取目標信息的雙、多色紅外焦平面探測器組件有著迫切的需求。短/中波雙色焦平面紅外探測器可以應用于導彈預警、氣像、資源遙感等衛(wèi)星，機載前視紅外和偵察系統(tǒng)，武裝直升機和艦載機目標指示系統(tǒng)，中、低空地空導彈的光電火控系統(tǒng)，精確制導武器的紅外成像制導導引頭，水面艦船的預警、火控和近程反導系統(tǒng)，雙波段熱像儀等等，市場前景十分廣闊。

本文報道了華北光電技術研究所在碲鎘汞短/中波雙色探測器組件制備及表征方面的研究進展：通過分子束處延技術制備出了高質量碲鎘汞短/中波雙色材料；采用半平面雙注入結構，通過光刻、刻蝕、電極生長等步驟制備出了短/中波雙色面陣芯片，芯片的I-V性能良好；與讀出電路互聯(lián)后，封裝到真空杜瓦中，形成了短/中波雙色器件；在80 K的工作溫度下，對器件進行了光電性能表征并進行了成像，成像效果良好。

2 材料生長及器件制備

短/中波雙色材料制備采用芬蘭DCA P600分子束外延系統(tǒng)，系統(tǒng)配有碲化鎘源、碲源和閥控汞源。具體步驟為在襯底材料上分別外延短波碲鎘汞吸收層、高組分碲鎘汞阻擋層、中波碲鎘汞吸收層及碲化鎘鈍化層。芯片采用半平面雙注入結構，結構示意圖如圖1所示，版圖如圖2所示。具體工藝過程為在材料表面分別進行硫化鋅鈍化、退火、光刻、注入、刻蝕、電極生長等工藝，完成短/中波雙色芯片的制備，再經過和硅讀出電路的倒裝互聯(lián)后，封裝到真空杜瓦中，形成最終完整組件。

圖1 半平面雙注入結構示意圖Fig.1 Schematic picture of simi-planar structure

圖2 芯片版圖示意圖Fig.2 Schematic picture of SW/MW dual-band device layout

材料質量通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）等方法進行表征；芯片通過 I-V測試、SEM進行表征；組件測試在80K溫度下進行，主要進行探測率、盲元率、非均勻性等測試，最終對雙色組件進行了成像演示。

3 材料、芯片及組件性能表征

3.1 材料性能表征

3.1.1 材料表面

在前期的碲鎘汞單色材料研究過程中華北光電技術研究所獲得了高質量的單色碲鎘汞材料，表面缺陷密度控制在200～300個/cm-2以內。

對于雙色材料的生長，難點主要在以下兩個方面：①各個不同組分碲鎘汞層之間生長條件相差較大，尤其在短波碲鎘汞吸收層到高組分碲鎘汞阻擋層切換的過程中，十幾度的溫度調整導致材料表面溫度出現(xiàn)較大波動，影響材料晶體質量及表面缺陷密度［1-7］；②不同組分碲鎘汞生長需要不同的CdTe/Te束流比，在束流切換過程中會對襯底表面的溫度穩(wěn)定性產生較大的沖擊，從而降低材料晶體質量、增加表面缺陷密度［1-8］。在材料的工藝優(yōu)化過程中，通過溫度補償、BandiT在線監(jiān)測等手段，提高了材料的表面及晶體質量［1，7］，雙色短中波材料的表面宏觀缺陷密度目前已經降到500個/cm-2以內，如圖3所示。

圖3 短中波雙色碲鎘汞材料表面顯微鏡照片（×200）Fig.3 Microscope picture of SW/MW dual-band MCT material

3.1.2 晶體質量表征

短/中波雙色碲鎘汞材料的晶體質量通過XRD進行表征。通過生長工藝的優(yōu)化，X射線雙晶衍射半峰寬（FWHM）在吸收層及阻擋層合計10～12μm厚度下可以穩(wěn)定的控制在100arcsec以下，且在材料全表面分布均勻，表明材料的晶體質量及均勻性良好。

3.1.3 SEM截面測試

為了更直觀地觀察Si基雙色HgCdTe材料結構，使用聚焦離子束（FIB）刻蝕碲鎘汞材料，獲得材料的截面信息，并使用SEM觀察材料截面，如圖4所示：短/中波雙色碲鎘汞材料短波層4.29μm，阻擋層1.15μm，中波層4.36μm，與材料的設計厚度4.5μm、1.2μm、4.5μm一致，體現(xiàn)出分子束外延對于材料工藝的良好控制。

3.1.4 傅里葉紅外光譜測試

碲鎘汞材料的組分測試通常使用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。FTIR在疊層多波段碲鎘汞材料測試中吸收邊信號由相對低組分層即中波波段決定，而短波層、高組分阻擋層的組分和厚度及中波層的厚度需通過對測試結果曲線的擬合獲得。如圖5所示為測試結果并通過自主編程軟件進行了擬合，三層的厚度分別為4.35μm、1.23μm、4.40μm，三層的組分分別為0.318、0.485、0.399。 FTIR與 SEM的測試結果一致，同時可以看出材料的組分和厚度得到準確的控制。

圖4 雙色碲鎘汞材料結構SEM剖面圖Fig.4 SEM profile of dual-band material

圖5 傅里葉變換紅外光譜測試Fig.5 Result of FTIR measurement

3.2 芯片性能表征

芯片采用半平面雙注入結構，采用高密度等離子體干法刻蝕工藝制備短波臺面，使用多腔室磁控濺射系統(tǒng)在表面生長ZnS/CdTe復合膜層進行鈍化處理，然后通過B離子注入同時對中短波結構進行摻雜形成p-n結，使用Cr/Au/Pt電極體系完成芯片電學性能引出。

3.2.1 芯片I-V性能測試

使用半導體參數分析儀對芯片的I-V特性進行測試，芯片放置于液氮環(huán)境中，測試管芯從制備的面陣芯片邊緣隨機選取，測試結果如圖6所示，其中，中波p-n結零偏阻抗為0.72 MΩ，短波p-n結零偏阻抗為2.36 GΩ，這說明芯片p-n結表現(xiàn)出較高的I-V性能，具備較好品質因子。

圖6 p-n結I-V性能測試結果Fig.6 I-V curve of p-n junction

3.2.2 芯片管芯FIB測試

通過FIB觀察了干法刻蝕后的深臺面底部形貌，從圖7（a）可以發(fā)現(xiàn)，高密度等離子體干法刻蝕工藝制備的深臺面底部平滑，無聚合物及生成物產生，為制備性能良好的短波p-n結奠定重要基礎；從圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)，使用多腔室磁控濺射系統(tǒng)在表面生長的ZnS/CdTe復合膜層可以將側壁完全覆蓋，對抑制p-n結漏電流起到重要作用。

3.3 組件性能表征

短中波雙色芯片通過倒裝互聯(lián)與讀出電路耦合、退火回流工藝處理后，裝入到真空杜瓦中，形成短中波雙色組件。在液氮溫度下，使用PI紅外焦平面測試系統(tǒng)對組件進行了測試。在中波20～35 K、3 ms積分時間，短波20～50 K、6 ms積分時間的測試條件下，盲元率、峰值探測率、響應率不均勻性為別為中波波段：1.84%、1.03×1011cm·Hz1/2/W、2.75%，短波波段：3.28%、8.23×1011cm·Hz1/2/W、7.98%。光譜測試結果如圖8所示，中波、短波截止波長分別為4.75μm、3.05μm。從測試結果可以看出，中波波段性能相對較好，通過優(yōu)化芯片版圖設計提高占空比、優(yōu)化工藝細節(jié)降低盲元率等針對性的優(yōu)化后即可達到實用化要求；短波波段在盲元率、響應率不均勻性等方面存在較大提升空間，初步分析與光刻、刻蝕的質量及均勻性相關，后續(xù)需要持續(xù)的優(yōu)化。

圖7 器件SEM測試結果Fig.7 SEM Result of Device

圖8 短中波雙色組件光譜相應Fig.8 IR Response of SW-MW dual-band device

4 結 論

在單色材料基礎上，通過對分子束外延工藝的優(yōu)化，獲得了表面光亮平整的高質量短/中波雙色碲鎘汞薄膜材料，材料表面缺陷密度控制在500個/cm-2以內；通過掃描電子顯微鏡可以看出各層之間界面陡峭；FTIR測試顯示出獲得材料組分厚度均勻且與設計值相符；XRD測試顯示材料晶體質量良好；基于此材料制備出了短/中波碲鎘汞器件，I-V測試性能良好；將雙色芯片封裝后進行了組件測試，測試性能良好。

致 謝：對折偉林、田璐、許秀娟等同志所做的相關工作深表感謝！