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为了满足红外探测系统更远的探测距离、更高的空间分辨率和在各类平台上广泛应用的要求,焦平面探测器的象素规模需进一步扩大,成本降低。具有大面积、低成本、与Si读出电路热匹配等优点的Si基碲镉汞红外焦平面探测器成为当今大面阵红外焦平面探测器发展的主流。
与常规衬底的碲镉汞材料不同,Si基碲镉汞材料的衬底材料与外延层碲镉汞之间存在较大的晶格失配和热失配,导致碲镉汞薄膜材料具有较高的位错密度和大的失配应力。因此深入研究和分析Si基碲镉汞的材料特性以及应力对材料、器件、焦平面性能的影响对于器件性能和可靠性的提高非常重要。
本论文围绕Si基碲镉汞焦平面探测器,讨论了Si基碲镉汞材料的电学特性,深入分析了应力对Si基碲镉汞材料、器件和焦平面性能的影响,提出并实现了用于Si基碲镉汞焦平面的衬底减薄技术和微结构红外增透膜及其制备技术。
论文的主要内容如下:
1.对不同偏压下Si基碲镉汞探测器的变温Ⅰ-Ⅴ曲线进行了测试、分析,得到了Si基碲镉汞材料中的深能级,发现得到的不同类型的深能级与材料性能和器件工艺均有关系;这些能级与利用深能级瞬态谱测试方法得到的结果一致,为Si基碲镉汞材料所特有;并分析了深能级与器件光敏元面积的关系,证实了深能级位置与光敏元面积无关。
2.利用变面积器件测试结构,得到了不同温度下Si基碲镉汞材料的少子扩散长度,并计算得到了Si基碲镉汞材料的少子寿命随温度的变化规律,发现以200K为转折点,少子寿命随温度的升高呈现先增大后减小的变化规律,100K时材料的少子寿命为25ns;通过与常规CdZnTe衬底器件的性能比较发现,中波Si基HgCdTe材料的少子寿命接近常规CdZnTe衬底外延薄膜材料水平。
3.研究开发了一种Si基碲镉汞焦平面探测器无损衬底减薄技术,通过对Si衬底进行去除得到了完整、表面光亮的碲镉汞焦平面芯片;将去除衬底内充胶的焦平面模块进行温度冲击实验,发现去衬底器件可以经受住温度冲击的考验,但衬底去除后芯片材料中的表面缺陷暴露会对器件的可靠性产生影响;利用Plasma lab80Plus ICP增强型反应离子刻蚀机对去衬底芯片的衬底一侧表面进行刻蚀发现,材料表面出现了与光敏元中心距一致的周期性起伏,且表面分布有等腰状位错坑,分析认为这与器件制备工艺中的应力影响有关,证实了利用此方法可以对衬底/芯片界面的位错进行研究。
4.将不同应力状态下材料、器件、焦平面性能进行测试发现,性能变化与应力的改变存在一定的联系:碲镉汞材料中张应力的减小提高了空穴迁移率和减小了空穴浓度;碲镉汞芯片中张应力的增大提高了器件的响应率,并改变了响应光谱的形状;焦平面芯片中张应力的增大提高了焦平面的响应率,减小了焦平面的非均匀性。利用能带理论对实验现象进行了较好解释:沿载流子运动方向的应力变化导致了材料能带结构的变化,进而影响到载流子的运动状态。对于Si基碲镉汞薄膜材料,薄膜中张应力的增大或压应力的减小有利于提高电子的迁移率;张应力的减小或压应力的增大有利于提高空穴迁移率,因此材料载流子运动状态的改变、器件响应率和焦平面器件非均匀性的改善都与应力的优化有关。
5.研究发明了一种用于背入射Si基碲镉汞红外焦平面的增透膜及其制备方法,优化得到具有较好增透效果的增透膜的制备条件:空气或真空中,激光脉冲宽度小于60rs,激光移动速率小于1000rmgs,激光脉冲功率在60～350mW范围内;通过分析得到了透射光谱范围与微结构形貌之间的关系:随着微结构尺寸的增大,透射极大值点对应的波长向长波方向移动,该规律为后续增透波段的调节提供了基础。通过对由不同偏振态的飞秒激光制备的微结构增透膜进行观察发现:线偏振光生成的微结构呈现与偏振方向垂直的列阵分布,圆偏振光形成的微结构呈现与λ/4波片的光轴方向平行的列阵方向分布;利用优化条件成功在中波Si基碲镉汞焦平面进行了增透膜的制备,在保证器件其它性能不变的情况下,响应率提高了约30％。