短波红外InGaAs探测器关键工艺技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李永富 |
| 答辩日期 | 2010-05-24 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 龚海梅 ; 李雪 |
| 关键词 | 空间遥感 短波红外探测器 保护环 串音 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 工作于短波红外波段InGaAs探测器，在近室温条件下即可获得很高的性能，在红外系统小型化、低成本化等方面具有很强的竞争力，而且InGaAs材料外延技术已经很成熟，这些都使得InGaAs探测器在空间遥感、光通讯及环境监测等众多领域有着广泛的应用。本论文针对空间遥感用短波红外InGaAs探测器的要求，以研制高性能InGaAs线列探测器为目的，在前期研究成果的基础上，优化并发展了器件制备的部分关键工艺环节。对平面型器件的部分关键工艺及器件结构进行了优化设计，研究了不同结构器件的串音、平面型器件光敏元扩大现象及其抑制技术，采用优化的器件工艺及器件结构研制出性能良好的光谱仪用256×1线列InGaAs平面型探测器。采用感应耦合等离子体ICP刻蚀台面成型工艺制备了背照射式N-on-P型640×1元线列InxGa1-xAs长波扩展探测器芯片。减小扩散石英载物舟的质量，稳定了扩散成结条件，提高了闭管扩散中扩散成结工艺的可控性及重复性。优化扩散掩膜，对比研究了磁控溅射方式生长的SiO2扩散掩膜及PECVD生长的SiNx扩散掩膜的钝化效果，SiNx薄膜的引入能够有效地降低平面型器件的暗电流水平。室温下，-0.1V偏压时，器件的暗电流密度由优化前的80~300nA/cm2降低至优化后的~20nA/cm2。设计并搭建了串音测试系统，研究了平面型、深台面型以及浅台面型三种不同结构器件的串音特性，发现浅槽隔离及保护环结构对器件串音具有良好的抑制效果，为器件结构的优化提供了一种思路。研究了小扩散孔、环形遮盖电极、保护环以及浅隔离槽结构对正照射式平面型器件的光敏元扩大现象的抑制作用，并采用AFM、SCM以及LBIC相结合的方法定量地研究了在带有保护环结构的器件中不同保护环与光敏元间距对光敏元扩大现象的抑制效果，引入保护环结构后，光敏元扩大量由无保护环时的14.4μm减小为7.5μm。采用优化的扩散工艺及保护环结构制备了光谱仪用256×1线列InGaAs平面型探测器，器件扩散孔面积25×500μm2，相邻光敏元中心距50μm，室温下，探测器芯片暗电流密度在-0.1V偏压下约为23nA/cm2，峰值探测率>1×1012cmHz1/2/W，与读出电路互连后在5ms积分时间下探测器焦平面的平均峰值探测率约1.87×1012cmHz1/2/W。采用SCM及SIMS技术研究了掺杂元素Zn在晶格失配及晶格匹配两种外延材料中的扩散机制，研究表明，在晶格匹配材料中，PN结深度与Zn元素扩散结深度基本一致，Zn元素在晶格匹配材料中的激活效率较高。而在晶格失配材料中， Zn元素的激活效率非常低，增大了器件制备的难度。采用InP及InAsP作为盖帽层的异质结构材料制备了平面型长波扩展InxGa1-xAs探测器，对于InP盖帽层材料器件，T=210K时，器件峰值探测率达到最大，单元器件峰值探测率1.7×109cmHz1/2/W，八元器件峰值探测率9.4×109cmHz1/2/W。对于InAsP盖帽层材料器件，随着温度降低，器件黑体信号首先增大后降低，在200K左右达到峰值，而噪声首先下降迅速，在150K以后变化趋缓，而器件的峰值探测率在150K达到峰值约0.83×1011cmHz1/2/W。采用感应耦合等离子体ICP(Inductive Coupled Plasma)刻蚀台面成型工艺，在N-on-P型In0.78Al0.22As/In0.78Ga0.22As材料上制备了背照射式N-on-P型640×1元线列InxGa1-xAs探测器芯片，这种应用在国内尚属首次。室温下器件截止波长达到2.4μm，抽测器件的优值因子约为16Ω•cm2，在240K温度下探测器的优值因子~1000Ω•cm2，信噪比~650。在1ms积分时间下，250K工作温度下对应焦平面的平均峰值探测率达到1.55×1011cmHz1/2/W， 焦平面信号非均匀性约为8.587%，232K工作温度下对应焦平面的平均峰值探测率达到2.16×1011cmHz1/2/W，焦平面信号非均匀性约为7.1%。 |
| 学科主题 | 红外探测材料与器件 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5152]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李永富. 短波红外InGaAs探测器关键工艺技术研究[D]. 中国科学院研究生院. 2010. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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