光导型碲镉汞红外器件的曲面延伸电极工艺评价
2022-05-09
来源:步旅网
第33卷第6期 2011年6月 红外技术 Infrared Technology 、厂o1_33 NO.6 June 20l1 光导型碲镉汞红外器件的曲面延伸电极工艺评价 钱大憨 ,。,一,贾 嘉 ,一,陈 昱 r,王 #1,2,3 汤亦聃 ,一,朱龙源 ,一,李向阳 , (I.中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083 2.中国科学院上海技术物理研究所中科院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083; 3.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:制备了一种带有曲面延伸电极结构的碲镉汞光导型红外探测器,对曲面延伸电极的抗低温冲击 能力进行了研究,在9次的液氮直接冲击下曲面延伸电极完好,器件电阻无大变化。通过扫描电子显 微镜(SEM)对曲面延伸电极的台阶侧面微观形貌进行观察,发现在延伸台阶的侧面有孔洞出现。通 过改进镀膜工艺,延伸台阶侧面的金属薄膜致密无孔洞。这表明宏观的电阻表征对微观缺陷不敏感, 对电极可靠性的表征要结合微观形貌表征进行;同时适当的薄膜制备条件可以使大台阶侧面获得致密 的金属薄膜,从而获得良好的台阶覆盖性。 关键词:曲面延伸电极;光导型碲镉汞红外探测器;电阻表征;扫描电子显微镜;微观形貌 中图分类号:TN215 文献标识码:A 文章编号:1001—8891(201 1)06—0328.04 The Evaluation of Curved Extended..electrode of HgCdTe IR Ph0tOc0nductive Detector QIAN Da han , ,JIA Jia ,CHENG Yu I-,WANG weiI’2 ,TANG Yi—dan I-,ZHU Long—yuang ,-,LI Xiang.yang ’ (1.State Key Laboratory ofTransducer Technology,Shanghai Institute ofTechnical Physics, Chinese Academy ofSciences,Shanghai 200083,China; 2.KeyLaboratoryoflnfraredImagingMaterialsandDetectors,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics, Chinese Academy ofSciences,Shanghai 200083,China; 3.Graduate School fothe Chinese Academy ofSciences,Beo'ing 1 00039,China) Abstract:HgCdTe IR photoconductive detector with curved extended.electrode has been fabricated,and the ability to prevent the electrode from breaking in the liquid nitrogen was studied.The electrode was normal and there were no evident changes of the resistance of the devices when the devices were taken from normal temperature into nitrogen temperature for 9 times.Nevertheless,topography of the extended electrodes imaged bv SEM showed that there were some holes in the sidewall of the step of the extended electrode film. It iS indicated that the resistance characterization is not sensitive to the microdefects.the characterization of the electrode stability needs to be performed in conjunction with micro morphology characterization,and the SEM iS a efficient means to evaluate the stability of electrode. Key words:curved extended—electrode,HgCdTe IR photoconductor,resistance characterization,SEM, Micro topography characterizati0n 引言 行了有益的探讨。最早使用的是一种矩形表面电极, 如图1所示。后来Kinch等【l J在此基础上提出叠盖电 光导型碲镉汞红外探测器的电极制作工艺是探 极结构,它有效的减小扫出效应,提高了器件载流子 测器制备过程中的关键技术之一。电极的结构和制备 寿命,从而提高小尺寸探测器的性能_2'3】。但这种结构 工艺会直接影响到器件的性能和可靠性。长期以来, 的中波碲镉汞器件低频噪声相比普通矩形表面电极 碲镉汞器件研究者在电极结构和电极制备工艺上进 结构的低频噪声要大 】。普通矩形表面电极制备工艺 收稿日期:2011 03 28. 作者简介:钱大憨(1985-),男,安徽枞阳人,硕士研究生,主要从事红外探测器薄膜工艺研究。 基金项目:国家自然科学基金项目,编号:60907048;E海市自然科学基金项目,编号:09ZR1436200。 328 第33卷第6期 、,0l-33 NO.6 2011年6月 钱大憨等:光导型碲镉汞红外器件的曲面延伸电极工艺评价 June 20l1 是光刻掩膜后直接在碲镉汞材料表面用物理溅射的 方法生长金属薄膜,然后剥离出所需的电极结构。胡 晓宁对这种表面电极进行的EPD腐蚀实验p J,观察到 电极生长区引入的应力“指纹”,其影响深度达2.6 um 以上。另外对这种结构进行电极引出时,只能采用传 统的铟球焊,效率低下,存在不稳定因素,并且铟金 问互扩散会严重影响器件的可靠性L6J。用自动化焊接 宝石片上的金属部分,焊接区远离光敏面,可以采用 金丝球焊工艺,进行机械化操作,提高效率,且不损 伤光敏面边缘。由碲镉汞体材料制备的光导型器件, 欲使内量子效率接近100%,碲镉汞的厚度要求在 10~15 gm左右 J,最终器件的光敏面与衬底问至少 有t0 pm高度差的台阶,在这种结构上生长的金属薄 膜不但要有好的台阶覆盖能力,而且要保证台阶覆盖 处在低温环境中的可靠性,这对电极薄膜制备工艺要 求极高。针对这类碲镉汞探测器,开发了一种带有曲 的热压键合,超声键合或热超声球键合工艺进行引线 焊接时 J,可能会引入高温、应力,这样会对光敏面 边缘碲镉汞造成较大损伤。尤其当光敏面缩小时,这 种损伤会严重影响器件性能,而目前可用的焊接方式 又无法避免高温,振动。要使焊接点尽量远离光敏区, 就要求电极区要足够大,这样就会浪费很多的碲镉汞 材料。为突破上述限制,制备小光敏面阵列器件,人 们发展了可使电极焊接区从光敏面边缘的碲镉汞材 料延伸到衬底的延伸电极,或称片外键合工艺 J,如 图2所示。延伸电极的出现避免了器件光敏面在电极 焊接工艺中出现过大的局部应力,从而避免应力引起 的光敏面电学性能退化。同时,光敏面也可以制备成 较小的阵列结构。本文针对。一种新的延伸电极结构 (曲面延伸电极),进行了器件电极抗低温冲击能力研 究。并对电极延伸台阶侧面的微观形貌进行了观察。 图1普通矩形表面电极 Fig.1 Normal rectangular surface electrode 图2延伸电极结构 Fig.2 The structure of extended electrode 1 曲面延伸电极 1.1 曲面延伸电极设计背景 延伸电极是结合光刻和离子束刻蚀工艺,使金属 薄膜同时淀积在碲镉汞和蓝宝石衬底上。引线焊接在 面延伸电极结构的碲镉汞光导型红外探测器,其结构 如图3和图4所示。这种电极结构特点是焊区与光敏 面分离,焊盘面积大,能用于小尺寸光敏面器件。其 独特的曲面台阶结构使台阶侧面接触面积相比直面 型增大近5倍,并且这种结构在一定程度上可以缓解 因温度变化导致的台阶侧面应力集中。 HgCdTe Sapphire 图3 曲面延伸电极侧面图 Fig.3 Schematic cross—section view of the curved extended—electrode 图4曲面延伸电极俯视图 Fig.4 Schematic top view of the curved extended—electrode 1.2器件电极的制备 碲镉汞材料一面经过去损伤处理后用低温环氧 树脂胶粘贴在蓝宝石衬底上,环氧胶厚度约为2 pm, 第二面经过减薄、抛光至厚度约为10 pm,然后生长 一层阳极氧化钝化膜。再依次经过光刻、离子束刻蚀、 生长电极等工艺,制备出具有曲面延伸电极结构的光 导型红外线列探测器,延伸电极由Cr/Au/In/Au四层 金属薄膜构成,电极膜总厚度约为0.9 gm。在离子束 溅射镀膜机上分两次溅射生长,先在凹形区域内溅射 20nm/600nm的Cr/Au作为过渡电极层,可以增加与 329 第33卷第6期 2011年6月 红外技术 Infrared Technology Vl0l_33 NO.6 June 2011 蓝宝石问的附着力。然后用光刻胶保护光敏面,在未 被保护区域溅射20nm/300nnl的In/Au延伸电极层和 公共电极。器件划片后焊接引线,成形芯片如图5。 整个器件制备过程中,光刻、刻蚀和薄膜生长是三个 关键工艺,会直接影响器件结构和稳定性。 加上测试的误差,器件不同光敏面测得的电阻有微小 差别。对单个光敏面来说,经过9次的液氮直接冲击 后,器件电阻值也基本在700 Q左右。总体来说器件 电阻无大的突变。表明这3个光敏面在9次液氮冲击 过程中没有明显的破坏情况出现,反映了在9次液氮 直接冲击下,曲面延伸电极结构的曲面延伸台阶处没 图5带有曲面延伸电极结构的光导型碲镉汞红外线列探测器 的部分单元 Fig.5 Partial elements ofHgCdTe IR photoconductor with curved extend.electrode structure 2 电极可靠性表征与分析 2.1电阻表征 实际应用的光导器件要求有稳定的体电阻。器 件的工作环境,如大电流、高低温循环,可能会使 延伸电极薄膜的晶粒尺寸变大,这会导致器件性能 的衰退}I…。器件制备工艺中常用的方法就是用电阻值 变化来表征器件的电极稳定性,因为一旦延伸电极在 台阶爬坡处发生断裂,探测器电阻可能会变的很大。 碲镉汞光导型红外探测器要求在低温环境中工作,普 通延伸电极在台阶爬坡处的断裂通常是由于碲镉汞 与蓝宝石衬底的膨胀系数不同,电极薄膜直接生长在 陡直的高台阶上,探测器在高低温循环中,台阶爬坡 处的延伸电极“疲劳应力”过大就会断裂。探测器在 不加光照的条件下,直接浸没在液氮中,观察探测器 电阻变化是一个快速、简便的方法。为模拟探测器的 高低温变化环境,对这种带有曲面延伸电极结构的碲 镉汞光导型红外探测器进行9次温度循环实验。将图 5所示的器件放入一个耐低温的器皿中,器件的电极 引线与万用表相连。从左到右依次为第1元、第2 元、……、第5元。每次液氮冲击后,器件恢复至常 温时测量器件电阻值。图6是该器件的第1、3、5元 在液氮冲击后测得的电阻值。图6中的3条直线是上 述器件的第1元、第3元、第5元光敏面经过液氮冲 击后的阻值变化拟合直线。在低温冲击前,每元的电 阻值有所不同,第1、3、5元的电阻分别为706 Q、 705 Q、699 Q。该线列器件虽然是由同一片碲镉汞材 料制备而成,但因其光敏面较大,体内缺陷会有差别, 330 有出现影响信号读出的断裂现象发生。 800 750 700 g 650 墨 蛩 8 600 550 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Times for immerging in liquid nitrogen 图6低温冲击9次后测得的电阻 Fig.6 Resistance measured after taking out of the nitrogen for nine times 2.2 SEM表征 曲面延伸电极经历了9次强列的低温冲击,电阻 无大的变化。表明这种电极结构在高低温变化过程中 没有出现电极薄膜大范围的脱落或断裂。同时,在电 阻测试过程中的测量误差使得这种方法对微观的薄 膜缺陷不敏感。电阻测试能够反映出高低温变化中无 薄膜脱落或断裂,却不能反映薄膜中已经存在的缺 陷。而金属薄膜在生长过程中引入的缺陷虽然在低温 冲击时没有变化,但可能会导致汞的挥发,增加汞空 位。要保证器件能够长期的工作在恶劣的环境中,需 要对电极结构的微观形貌进行观察。在半导体领域, 扫描电子显微镜是一种有效的分析工具,常被用于器 件表面、截面分析,失效分析,利用其精确控制样品 台倾斜与旋转的特性可以分析器件的三维结构Ij 。为 此用扫描电子显微镜对曲面延伸电极进行了观察。由 于台阶的高度在10 pm左右,为了对台阶侧面进行观 察,样品固定在45。的斜台上进行电子束扫描。图7 是第6元在液氮冲击前后的SEM对比图,图8是第7 元的局部放大的SEM,从图中可以看出,金属薄膜在 生长过程中,在台阶底部会出现裂缝,在台阶侧面也 会有些孔洞,这种曲面电极好处就是侧面有效接触面 积大,相比直面型台阶来说有更多的导通路径,微小 裂痕和少许孔洞并没有影响到器件的导通。液氮冲击 后电阻无大的变化也说明了这一点。对经过液氮冲击 第33卷第6期 2011年6月 红外技术 Infrared Technology Vl0l_33 NO.6 June 20l1 (a)背景抑制后某帧图像 (b)传统Robinson检测结果 图7传统Robinson滤波与本文算法的比较 (c)本文算法检测结果 Fig.7 Contrast of the traditional Robinson filter with the algorithm presented in this paper 参考文献: [1]管志强,陈钱,钱惟贤,等.一种基于背景自适应调整的弱点目标探 测算法[J].光学学报,2007,27(12):2163.2168. 【2] 余小英,李凡生,邵晓鹏.基于背景抑制的4种红外小目标检测算法 比较[J].红外技术,2009,31(5):287—290. 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