0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

探讨碲镉汞红外探测器工艺中注入温度的影响

MEMS 来源:MEMS 2023-09-29 10:45 次阅读

离子注入工艺是对高能离子进行分析、聚焦与调节后,以一种特定的扫描模式,将其均匀地注入芯片上。在离子注入的过程中,温度是PN结成型的重要参数,注入温度对增强扩散和晶格缺陷的影响很大。对于碲镉汞的离子注入工艺而言,由于碲镉汞的特殊性,注入区原子的扩散过程不仅仅出现在热处理工艺中。如果注入工艺本身温度较高,那么原子的扩散过程在注入中就会发生。碲镉汞离子注入工艺本身就能直接形成较好的n⁺n⁻p结。因此,注入温度很大程度上影响着注入区的实际尺寸和有效结深。离子注入技术中碲镉汞芯片的温度控制具有重要研究价值。

据麦姆斯咨询报道,近期,华北光电技术研究所的科研团队在《红外》期刊上发表了以“碲镉汞离子注入温度研究”为主题的文章。该文章第一作者为何斌助理工程师,主要从事碲镉汞红外探测器的研究工作。

本文从离子注入工艺的温度控制出发,研究了离子注入工艺中的束流、注入能量、接触面粗糙度等因素对温控的影响,并结合器件的I-V曲线,探究了碲镉汞红外探测器工艺中注入温度的影响。

实验

如图1(a)所示,将温度试纸贴在芯片上,表征离子注入过程中芯片表面的实际温度。采用半导体参数测试仪采集器件的I-V特性曲线。

如图1(b)所示,采用液相外延工艺在CdZnTe衬底材料上生长HgCdTe外延层;使用磁控溅射设备在HgCdTe表面上生长CdTe及ZnS复合钝化膜层;基于离子注入技术,通过注入高能B离子,在HgCdTe上形成PN结;利用干法刻蚀技术在碲镉汞表面上刻蚀出电极接触孔,并用离子束沉积设备引出电极,完成器件的制备。

0ec234a2-53e2-11ee-a25d-92fbcf53809c.jpg

图1 (a)离子注入温度测试图;(b)器件结构图

实验结果与讨论

注入能量与束流对芯片温度的影响

在离子注入过程中,注入能量是指注入离子携带的总能量,束流是指单位时间、单位面积内注入离子的数量。一般来说,注入能量与束流越高,芯片表面的热效应越大。如图2所示,当采用高能离子轰击芯片表面时,虽然芯片与硅片背面有冷却系统,但由于光刻胶的导热性差,巨大的热效应依然会导致芯片表面有一定温升,引起芯片的实际温度与设定温度不一致。

0eeb0ca6-53e2-11ee-a25d-92fbcf53809c.jpg

图2 离子注入工艺的模型图

图3所示为采用不同的离子注入参数时,在0℃与20℃冷却温度下,芯片表面温度与注入能量、束流的关系曲线。在图3(a)中,样品背面采用循环水实现0℃控温。当恒定注入能量分别为150 keV、200 keV、250 keV和300keV时,芯片表面温度随着注入束流的增大而升高。在小束流30~60 μA范围内,温度变化整体上较为缓慢;在束流60~120 μA范围内,芯片表面温度与注入束流几乎成正比;当束流大于120 μA时,芯片表面温度开始陡增。

对比图3(a)中注入能量分别为150 keV、200 keV、250 keV和300 keV时的温度-束流曲线,可以发现注入能量增大也会增加芯片表面温度。当束流处于30~60 μA且注入能量从150 keV增至300 keV时,芯片温度升高10℃;当束流处于60~130 μA且注入能量从150 keV增至300 keV时,芯片温度升高5~19℃左右。

在图3(b)中,样品背面采用循环水实现20℃控温,芯片表面温度随注入能量及束流的变化关系与图2(a)极相似。当恒定注入能量为150 keV、200 keV、250 keV、300 keV且束流处于30~60 μA时,温度可控制在一个理想的范围内;若继续增大束流,芯片表面温度与注入束流成正比,并逐渐开始失控。若恒定束流,芯片表面温度也随注入能量的增大而上升;注入能量从150 keV增至300 keV时,芯片温度升高6~14℃左右。

0ef8e984-53e2-11ee-a25d-92fbcf53809c.jpg

图3 芯片表面温度与注入能量、束流的关系曲线:(a) 0℃控温;(b) 20℃控温

试验结果表明,在离子注入工艺中束流与能量对芯片表面温度的影响较大,过大的束流与能量都会让芯片表面温度失控。在实际工艺参数的选择中,注入能量决定了离子的注入深度,通常不会轻易变动。我们可以选择一个较低的注入束流以及背面冷却温度,以尽量降低芯片表面温度(保证低于光刻胶的耐受温度),从而提高工艺过程的成品率。

接触面粗糙度对芯片温度的影响

如图4所示,实际工艺中存在个别芯片背面较差、承载芯片的硅片在多次注入后稍粗糙等情况。为了探究不同导热接触面对离子注入工艺的影响程度,本文选择背面粗糙度不同的芯片,观察离子注入后的光刻掩膜图案。

0f12a95a-53e2-11ee-a25d-92fbcf53809c.jpg

图4 芯片与硅片接触面的模型图

如图5所示,对于背面粗糙度不同的芯片A与B,采用相同的工艺参数,试验结束后光刻掩膜的形貌差距较大。结果表明,图5(a)中芯片A背面整体高度较为均匀,背面光滑;图5(b)中,在离子注入后,芯片A表面光刻掩膜正常,并未有光刻胶变形等现象。然而,图5(c)中芯片B背面整体高度相差极大(最大达5 μm),芯片背面呈现较多的小坑,较为粗糙;图5(d)中,在离子注入后,芯片B表面光刻胶严重变形甚至裂开,造成光刻掩膜失效。从传热学上看,在芯片和硅片导热系数不变时,芯片面型差与硅片粗糙将减小传热面,引起芯片温度极度失控。

在离子注入工艺中,需要对芯片和硅片的接触面加以重视。在芯片背面,我们可以采用磨抛工艺来降低粗糙度,并采用表面光滑的硅片承载芯片。一个好的接触表面有利于增大换热面积,降低区域温度升幅,保证光刻掩膜不变形,提高工艺过程的稳定性。

0f2b6468-53e2-11ee-a25d-92fbcf53809c.jpg

图5 基于相同的工艺参数,试验结束后光刻掩膜的形貌:(a)芯片A的背面;(b)芯片A在离子注入后的光刻掩膜形状;(c)芯片B的背面;(d)芯片B在离子注入后的光刻掩膜形状

离子注入温度对碲镉汞红外探测器的影响

研究器件在很大程度上是研究漏电流与器件加工工艺的关系。为了探究离子注入温度对碲镉汞红外探测器的影响,将同一片碲镉汞材料划开。图6(a)与图6(b)所示分别是注入温度为0℃与85℃时的I-V曲线。

0f392238-53e2-11ee-a25d-92fbcf53809c.jpg

图6 (a)注入温度为0℃时的I-V曲线;(b)注入温度为85℃时的I-V曲线

对比图6(a)与图6(b)的第四象限可知,当反向电压为50 mV时,注入温度为 0℃的碲镉汞光敏元的反向电流为8 nA,注入温度为85℃的碲镉汞光敏元的反向电流为14.9 nA。在I-V曲线的第一象限内,注入温度为0℃的碲镉汞光敏元的开启电压为83.7 mV,注入温度为85℃的碲镉汞光敏元的开启电压为117.5mV对于相同的离子注入剂量及束流等条件,离子注入温度较高的碲镉汞芯片表现出更大的反向电流和开启电压。

根据图6(a)与图6(b)的开启电压与反向电流信息,可以发现注入温度越高,实际的注入区面积越大。一般认为碲镉汞B离子注入依靠损伤成结,其有效结深往往比注入深度延长1~3 μm左右。当B离子注入到碲镉汞芯片时,与内部晶格原子发生连续撞击,造成大量的晶格损伤,表现出Hg-Te键断裂,大量间隙Hg原子形成N型层。当注入温度较高时,我们认为注入区Hg原子的扩散过程在注入中就会发生,大量的间隙Hg原子发生横向扩散,增大了PN结的面积。

对比图6(a)与图6(b)的反向电流与平坦电压信息可知,注入温度较高的PN结的反向漏电更易增加。这很可能是因为注入温度较高,原子晶格处于较高的能量状态,在被注入离子破坏后,容易得到较多的射程端缺陷和离子注入损伤。这些离子注入带来的晶格损伤在后续的退火工艺中无法完全消除,使得少子寿命降低,引入了较大的漏电流。若从光敏元的性能考虑,为了保证注入区的实际面积与设计面积接近,并避免较多的晶格损伤,我们应该尽量选择一个较低的注入温度。

结束语

本文研究了离子注入工艺中束流、注入能量、接触面粗糙度等因素对注入温度的影响,并结合器件的I-V曲线,探究了碲镉汞红外探测器工艺中注入温度的影响。实验结果表明,束流、注入能量、冷却温度以及接触面对于控制芯片温度具有重要作用。为了保证注入温度低于光刻胶的耐受温度,提高工艺过程的成品率,我们可以选择较低的注入束流和冷却温度;同时在芯片背面,可以采用磨抛工艺来降低粗糙度,并选用表面光滑的硅片来优化导热面。从光敏元的I-V曲线分析,较低的注入温度有利于减小PN结的暗电流,阻止注入区面积的横向扩散,从而提高碲镉汞红外探测器的整体性能。后续将重点研究注入温度对碲镉汞的热扩散作用,并结合透射电镜和I-V曲线等手段对注入机理作进一步解释。

编辑:黄飞

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 芯片
    +关注

    关注

    453

    文章

    50387

    浏览量

    421779
  • 探测器
    +关注

    关注

    14

    文章

    2617

    浏览量

    72908
  • 红外探测器
    +关注

    关注

    5

    文章

    287

    浏览量

    18048
  • 离子注入
    +关注

    关注

    3

    文章

    29

    浏览量

    10321

原文标题:碲镉汞离子注入温度研究

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    用MCT材料和CdTe /ZnS双层钝化工艺制备中波探测器的研究成果

    将初测合格的640 × 512@ 15 μm规格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
    的头像 发表于 08-30 10:13 3582次阅读
    用MCT材料和CdTe /ZnS双层钝化<b class='flag-5'>工艺</b>制备<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b>中波<b class='flag-5'>探测器</b>的研究成果

    基于分子束外延的短/中波双色材料及器件的最新研究进展

    本文报道了中国电子科技集团公司第十一研究所(以下简称“中国电科11所”)在短/中波双色红外探测器组件研制方面的最新进展:通过分子束外延
    的头像 发表于 05-24 10:49 2826次阅读
    基于分子束外延的短/中波双色<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b>材料及器件的最新研究进展

    高工作温度红外探测器的优点及当前HOT器件的发展现状

    因此,在保证红外探测器性能的前提下提高探测器组件的工作
    的头像 发表于 05-27 09:14 8270次阅读
    <b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b>高工作<b class='flag-5'>温度</b><b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>的优点及当前<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b>HOT器件的发展现状

    简析金掺杂红外探测材料及器件技术

    高灵敏度、高分辨率等高性能n-on-p型长波/甚长波以及高工作温度中波器件研制的一种技术路线选择。本文在分析评述金掺杂
    的头像 发表于 06-24 16:12 4022次阅读
    简析金掺杂<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b><b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测</b>材料及器件技术

    P-on-N红外探测器的器件结构设计

    红外探测器是将混成芯片封装在微型杜瓦内部,采用制冷机提供所需冷量,将混成芯片降温至设定的工作温度
    的头像 发表于 06-20 11:09 3841次阅读

    集成长波320×256偏振探测器的设计

    对集成长波320×256偏振探测器的偏振结构进行了设计及验证后,按照文中设计对已经制备的
    的头像 发表于 11-10 15:09 1031次阅读

    昆明物理研究所在长波p-on-n红外焦平面器件方面的研究进展

    针对p-on-n长波红外焦平面探测器展开研究,器件采用原位掺In的LPE 技术在CdZnTe衬底上生长N型
    的头像 发表于 12-05 15:00 1381次阅读

    高工作温度p-on-n中波红外焦平面器件研究

    p-on-n结构中波焦平面器件通过光刻、离子注入、钝化、刻蚀、金属沉积、倒装互连等工艺制备而成,单元器件结构示意图如图1所示。其
    的头像 发表于 01-05 15:57 1093次阅读

    APD焦平面技术研究

    APD探测器可通过偏压调节实现常规的被动热成像和雪崩增益下的主动成像,这将为实现采用单个焦平面探测器的自对准系统提供了可能。
    的头像 发表于 01-16 14:04 1333次阅读

    探讨线性雪崩焦平面器件评价及其应用

    线性雪崩焦平面探测器具有高增益、高带宽及低过剩噪声等特点,在航空航天、天文观测、军事装备及地质勘探等领域展现了巨大的应用潜力。
    的头像 发表于 03-28 09:12 1161次阅读

    中波红外室温探测器激光辐照饱和特性的仿真

    本文针对室温工作的光伏型中波红外探测器激光辐照饱和特性进行了仿真,结果表明,中红外激光对
    的头像 发表于 04-07 11:22 1601次阅读

    步进式***在红外芯片工艺中的应用以及取得的效果

    光刻是制备红外探测器芯片过程中非常关键的工艺
    的头像 发表于 06-18 09:04 1202次阅读
    步进式***在<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b><b class='flag-5'>红外</b>芯片<b class='flag-5'>工艺</b>中的应用以及取得的效果

    昆明物理研究所红外探测器研究进展

    是一种近乎理想的红外探测器材料,吸收系数高、量子效率高、载流子寿命长、工作温度高,而且通过
    发表于 08-07 11:03 925次阅读
    昆明物理研究所<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b><b class='flag-5'>红外</b><b class='flag-5'>探测器</b>研究进展

    液相外延薄膜缺陷综述

    液相外延是(MCT)薄膜生长领域最成熟的一种方法,被众多红外探测器研究机构和生产商所采用。
    的头像 发表于 08-07 11:10 1263次阅读
    液相外延<b class='flag-5'>碲</b><b class='flag-5'>镉</b><b class='flag-5'>汞</b>薄膜缺陷综述

    详细介绍衬底的表面处理研究

    (CZT)单晶材料作为(MCT)红外焦平面探测器
    的头像 发表于 01-02 13:51 710次阅读
    详细介绍<b class='flag-5'>碲</b>锌<b class='flag-5'>镉</b>衬底的表面处理研究