SOFRADIR的第三代红外探测器技术——第三代关键技术2006-01-12 1. HgCdTe技术的主要优势可调直接带隙半导体Hg1-xCdxTe合金具有独特的性能，仅通过调整合金的X值就可使近视到远红外直接带隙可调。

该合金的成分稳定，从而在单一半导体技术中能满足从大于1µm到15µm以上的所有红外探测波段需要。

HgCdTe是直接带隙半导体的事实对于红外探测非常重要，因为这可使光电二极管系统在任何探测波段都可获得非常大的量子效率（70-90%）。

4.1.2恒定的晶格参数 Hg1-xCdxTe合金第二个令人关注的特性是，对于从CdTe近视带隙半导体到Hate 半金属的所有X值，该合金都具有恒定的晶格参数。

这对于应用来说具有2个非常重要的结果：首先是能在与CdTe衬底匹配的自然红外透明晶格上生长所有的Hg1-xCdxTe合金，从而能生长出高质量低位错密度的单一Hg1-xCdxTe外延层（约104cm-2）。

其次，通过晶格匹配，可生长出低位错密度的复杂的多层异质结，这正是第三代FPA（多色焦平面阵列，APD等）技术所需的。

适度的P、N电掺杂II-VI半导体系统（主要是大带隙半导体）是N或P型（由于补偿或钝化效应），但实际上，有一些合金较易获得N和P导电性。

Hg1-xCdxTe合金就是其中之一，能够进行N或P掺杂。

N型掺杂可以利用III或VII族杂质作为施主分别在(Hg)或(Cd, Te)晶格位置进行（铟最常使用）。

P型掺杂可以利用I或V族杂质作为受体分别在Hg或Cd, Te晶格位置进行（砷最常使用）。

掺杂还可通过利用自身缺陷进行；Hg空隙是Hg1-xCdxTe合金中的受体，通过适当的退火可使其浓度增加10个数量级以上。

另外也可使用辐射损害方法：离子注入使系统N型导电，缺陷多作为施主。

不掺杂材料可以获得高纯度，并在104cm-3范围内具有非常低的残留施主背景（汞空隙退火后）。

这种适当的类型转换可通过几个方式进行，能够制造出n/p或p/n结（例如通过平面离子注入）用于单色探测器，也可产生3代产品所需的非常复杂的多异质结结构。

最佳（X成分合金，FPA操作温度）耦合从2µm截止波长探测器到超过14µm截止波长，温度在300K到低于40K的范围内，所有Hg1-xCdxTe探测器的性能都可通过一个单一的模型进行预测（当探测器具有扩散体制内的暗电流时）。

利用一个单一的物理模型在这样一个大的带隙和温度范围内预测探测器的性能意味着我们对其具有充分的了解，我们掌握的技术可使这些性能通过一种可重复的方式获得。

利用这一模型，对于所有所需的截止波长（和对于根据暗电流给定的性能要求）可以选择最佳的Hg1-xCdxTe合金成分，使FPA的操作温度最大。

探测器的基本参数，如Hg1-xCdxTe探测器的小载波寿命足够高可产生低暗电流光电二极管，足够低可产生快速探测器或低光对话探测器，从而可最大限度地选择量子效率。

因为这些原因，Hg1-xCdxTe合金是相当理想的红外探测材料。

2. 第一项关键技术：用于大焦平面阵列并可降低成本的大HgCdTe晶片技术3代技术的第一个要求是大阵列。

具有15µm像素间距的百万像素FPA的物理表面约3cm²。

出于加工成本考虑，需要有大的高质量晶片。

通过分子束外延（或LPE）在匹配了高质量Cd1-yZnyTe的晶格上可生长20-40cm²的大型双外层，这取决于截止波长。

只有百分之几的非常小的Zn浓度就可产生较高的晶体质量和理想的晶格匹配，与CdTe晶格匹配相比，这是可以良好控制的基本参数，主要用于超高性能探测器（极低的暗电流水平）或用于工作在长波或超长波（9-15µm）范围的探测器。

今天，利用改进的Bridgman技术可获得9cm直径的高质量Cd0.96Zn0.04Te晶块（在SOFRADIR公司生产）。

这些晶块仍然不是理想的单晶，但晶粒非常大，可制造尺寸超过20cm²的大晶片。

对于工作在中波段(3-5µm)的大焦平面阵列而言，选择在CdZnTe上外延生长Hg1-xCdxTe的晶格用于候选衬底的大晶片。

在候选材料当中，LETI和SOFRADIR公司选择锗，因为锗表面清洁准备简单、纯度非常高、可以外延生长超过8英寸的高质量大晶片。

Hg1-xCdxTe在锗（或其它候选基体）上的异质外延必须进行分子束外延生长，因为这一工艺在低温下进行（约200°C）。

LETI公司几年前就论证了在锗上生长高质量Hg1-xCdxTe层的可行性。

现在利用新型5” Riber分子束外延机，高质量的4”晶片在DEFIR开始被用于FPA研究和制造（如百万像素阵列或SOFRADIR Scorpio 电视阵列，其像素间距都为15µm）。

在中等106cm-2的范围内，这种异质外延的位错密度与工作在80-140K中波的背景有限探测器一致。

对于更长波长的探测器，关键问题是使用合适的缓冲层时位错密度在105cm-2范围内减小；该领域内的研究由DEFIR团队实施。

3. 第二项关键技术：小像素间距混合第2项关键技术涉及小像素间距混合技术的控制。

由于光衍射的限制，单色焦平面阵列要求像素间距不少于截止波长的2倍（在长波红外波段是20µm，中波红外波段是10µm，短波红外波段是5µm）。

3代探测器需要更加复杂的结构，特别是多色探测器可能将要求每像素有几个接合面，这增加了难度。

使用铟柱热焊接，LETI和SOFRADIR已经对像素间距为15µm的工作在中波红外波段的百万像素阵列超高互连进行了论证。

热回流技术可产生硅读出电路与MCT的稳定焊接，其优势是在工艺中通过利用液态铟毛细作用力进行2阵列的自定位。

这种在LETI进行开发由SOFRADIR进行工业化生产的独特的集成技术现在已使像素间距减小，而增加FPA尺寸的研究正在进行当中。

4 第三项关键技术：HgCdTe的分子束外延HgCdTe分子束外延是3代FPA的一项基本的关键技术，其原因是：第一，通过MBE生长的外延层与通过LPE技术（位错密度在较低的104cm-2范围、N型退火后载流子浓度为1015cm-3，电子迁移率105cm²/V/s、少数载流子寿命几微秒）生长的外延层相比，在缺陷密度、残余载流子浓度、迁移率和寿命方面已经达到了相当的质量水平。

与LPE层相比，MBE层的决定性优势是其突出的成分和厚度均匀性，其与低温气相生长技术存在固有的联系，但要好得多。

其主要结果是响应一致性和残留空间噪音模式大大改进。

这对于系统用户来说还有一个非常重要的结果，允许FPA具有更大的工作温度，不需要改变任何修正参数就有较容易的NUC。

MBE工艺的第二个关键优势是这种非常低的生长工艺有可能生长出具有可控厚度的多层结构（在单层上生长）。

在低于200度的生长温度下内部扩散结束，从而产生非常尖锐的层间界面；几年来使用MBE生长技术在这种半导体合金中对超晶格、量子阱和异质结都进行了论证。

多层结构中上层结构的晶格匹配可产生与单层结构具有相同数量级的位错密度。

这些层被掺杂成N型或P型，从而使复杂多层结构具有可行性，这正是多色探测器或快速离子雪崩光电二极管（APD）所必需的。

当N型掺杂可以非常容易地实现时（1014-1018cm-3），V族扩散杂质较低的P型掺杂就非常困难。

目前砷是最好的候选元素并被广泛使用。

在碲位置作为受体的电子活化已经得到论证。

然而，电子活化需要高温退火（高于300度）的事实仍存在争议。

多异质结结构中低内部扩散和砷所需的活化退火之间存在平衡。

DEFIR团队正在进行大量研究。

5 第四项关键技术：干蚀刻技术控制台式干蚀刻是3代关键技术，要求具有台面型结构；这包括用于双波段探测器的npn光电二极管或用于3D成像的快速APDs。

湿蚀刻是一种非常温和的工艺，可防止HgCdTe表面降解；但这种各向同性的蚀刻与IRFPA所需的像素间距大大减小情况下(30-20µm)的高场形系数不一致，主要是因为蚀刻深度大于10µm。

相反，干蚀刻如离子蚀刻能产生具有非常高的场形系数的尖锐台面，但这种工艺会产生非常强的材料n型转变（如离子注入），需要高温退火才能去除。

如图4.10和4.11所示，使用ECR或ICP的各向异性的等离子蚀刻目前看来是最好的方法，它即可使材料降解较低，又可在HgCdTe外延层产生尖而深的沟槽。

其中ICP是首选，因为它是更具有生产导向的工艺。

目前这些复杂的反应工艺已开始被较好地理解和控制并进行了一些可行性论证。

但仍需进行一些工作才能完全掌握这种主要用于长波红外波段的技术。

该表给出了使用湿式、混合以及干式蚀刻方法的50µm和30µm像素间距阵列的上层二极管（5µm截止波长）的台式填充因数。

由于像素内的反射，光电探测器元件的填充因数要比这些值高。

湿蚀刻混合蚀刻干蚀刻50µm像素间距 40% 60% 80%30µm像素间距 40% 70%6 第5项关键技术：节的形成技术离子注入是用于2代和2.5代IR探测器产品的技术，是在汞空位掺杂材料（或外来受体杂质掺杂外层）上的n on p型平面技术。

该技术还可用于Rockwell开发的具有砷离子注入的更加复杂的p on n平面技术。

3代产品将不仅仅需要这些简单的工艺，还需要在MBE生长过程中形成结或异质结。

这就要将In和As 杂质的电子活动控制在较低的水平，与减小的暗电流（主要用于长波红外探测器）或PIN结构一致。

与台式蚀刻工艺相关的另一个问题是结的隔离。

表面区附近的空间电荷区域必须无缺陷：因此，必须在所有的退火步骤中良好地控制蚀刻工艺和表面钝化。

7. 与现有技术比较锑化铟以锑化铟（InSb）二元直接带隙半导体为基础的探测器具有与MCT相当的高的量子效率，暗电流略高于MCT。

对于工作在3到5µm波段的FPA来说，探测器技术是成熟的。

InSb的主要不足是只能进行80K单色3-5µm波段探测，不具有MCT合金的可改变合金成分和带隙的适应性。

InSb的第二个不足是在与MCT相当的温度下具有反向带隙变化：温度的增加使带隙减小，结果大大增加了暗电流。

这就将工作温度限制在了80K。

因此这种二元半导体在3代产品中不可能有更进一步的发展。

InAs/GaSb超晶格超晶格半导体探测器理论上可进行超长波红外、长波红外和中波红外波段单色探测并具有中波/长波红外双波段探测的潜力。

在超过15年的时间里，这些合金的发展较小，但最近的数据显示已经获得了一些进展。

工作在中波红外波段的256×256阵列最近由AIM公司进行了演示，与MCT相比具有稳定的性能，量子效率低（17%），工作温度低于77K。