阅读说明：本技术 一种平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法 (Planar mercury cadmium telluride avalanche diode detector and preparation method thereof ) 是由 张智超 喻松林 张轶 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法,用以降低平面碲镉汞雪崩二极管探测器柱面结和球面结耗尽区中的电场强度,进而降低相应的隧穿电流,提高雪崩击穿电压,提升线性模式下的增益。所述方法,包括：在碲镉汞表面沉积钝化层；通过常规掺杂对碲镉汞进行P型掺杂；通过常规掺杂在P型碲镉汞材料上进行N型掺杂,形成N<Sup>+</Sup>中心区,高掺杂N<Sup>+</Sup>保护环和低掺杂N<Sup>-</Sup>区；生成穿透钝化层的位于高掺杂N<Sup>+</Sup>中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔；在电极接触孔形成光敏元电极和公共电极。(The invention provides a planar tellurium-cadmium-mercury avalanche diode detector and a preparation method thereof, which are used for reducing the electric field intensity in the cylindrical junction and spherical junction depletion regions of the planar tellurium-cadmium-mercury avalanche diode detector, further reducing the corresponding tunneling current, improving the avalanche breakdown voltage and improving the gain in a linear mode. The method comprises the following steps: depositing a passivation layer on the mercury cadmium telluride surface; carrying out P-type doping on mercury cadmium telluride through conventional doping; n-type doping is carried out on the P-type tellurium-cadmium-mercury material by conventional doping to form N + Center region, highly doped N + Guard ring and low doped N ‑ A zone; creating a highly doped N located through the passivation layer + A contact hole for the photosensitive element electrode and a contact hole for the common electrode in the central region and the HgCdTe P-type doped region; and forming a photosensitive element electrode and a common electrode in the electrode contact hole.)

一种平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外探测器技术领域，尤其涉及一种平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法。

背景技术

碲镉汞雪崩二极管探测器依据工作偏压的不同可以分别工作在盖革模式和线性模式下。在盖革模式下，碲镉汞雪崩二极管探测器的工作偏压高于雪崩击穿电压，输出信号幅值与接收到的光电信号幅值无关，需要外部电路对探测器进行淬灭后才能进行下一次的信号探测；在线性模式下，碲镉汞雪崩二极管探测器的工作偏压低于雪崩击穿电压，碲镉汞雪崩二极管探测器的增益随偏压改变，可以对接收到的光电信号进行高速、连续、成比例的放大输出，无需外部淬灭电路。

碲镉汞雪崩二极管探测器属于第三代红外探测器技术，碲镉汞材料在特定的组分区间内具有单载流子激发雪崩的特性，能够实现近无过剩噪声特性的雪崩放大。碲镉汞雪崩光电二极管具有高灵敏度、高增益带宽积、高信噪比等特点，此外在线性模式下能够无“盲时间”的高速、连续工作，在光纤通信、空间通信、三维激光雷达、天文观测及大气探测等领域有广阔的应用前景。

碲镉汞雪崩二极管探测器通常采用PIN结构，具体的实现方式有平面型、台面型和环孔型。碲镉汞雪崩二极管探测器工作时，外加偏压主要降落在PN结的耗尽区内。实际形成的常规的平面碲镉汞雪崩二极管探测器PN结与理想情况有很大区别，如图1所示，其中，11为碲镉汞P型掺杂区，12为碲镉汞低掺杂N-区，13为碲镉汞高掺杂N+区，14为碲镉汞表面钝化膜层，15为探测光敏元电极，16为公共电极。实际的PN结可以分为横向的柱面结、纵向的平面结以及拐角处的球面结三部分，由于柱面结和球面结的曲率半径要小于平面结的曲率半径，造成柱面结和球面结处的电场严重集中，使得在柱面结和球面结处与电场相关的隧穿电流远高于平面结处的隧穿电流，并且柱面结和球面结处的雪崩击穿电压要低于平面结处的击雪崩击穿电压，限制了碲镉汞雪崩二极管探测器的在线性模式下的有效工作偏压范围和相应的增益范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是降低平面碲镉汞雪崩二极管探测器柱面结和球面结耗尽区中的电场强度，进而降低相应的隧穿电流，提高雪崩击穿电压，提升线性模式下的增益，提供一种平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法。

本发明采用的技术方案是，所述平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法，包括：

在碲镉汞表面沉积钝化层；

通过常规掺杂对碲镉汞进行P型掺杂；

通过常规掺杂在P型碲镉汞材料上进行N型掺杂，形成N⁺中心区，高掺杂N⁺保护环和低掺杂N^-区；

生成穿透钝化层的位于高掺杂N+中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔；

在电极接触孔形成光敏元电极和公共电极。

在一种可能的实施方式中，所述高掺杂N⁺保护环由至少一层保护环构成。

在一种可能的实施方式中，所述高掺杂N⁺保护环由1～4层保护环构成。

在一种可能的实施方式中，相邻两层高掺杂N⁺保护环之间的间距为2～8μm。

在一种可能的实施方式中，最内层高掺杂N⁺保护环与碲镉汞高掺杂N+中心区的间距为2～8μm。

在一种可能的实施方式中，在碲镉汞表面沉积钝化层，具体包括：

在碲镉汞表面沉积碲化镉钝化层；或者

在碲镉汞表面依次沉积碲化镉和硫化锌构成钝化层。

在一种可能的实施方式中，所述碲化镉厚度为30～500nm，所述硫化锌厚度为0～500nm。

在一种可能的实施方式中，在电极接触孔形成光敏元电极和公共电极，具体包括：

在电极接触孔依次生长铬层和第一金层，形成光敏元电极和公共电极；或者

在电极接触孔依次生长铬层、第一金层、铂层和第二金层，形成光敏元电极和公共电极。

在一种可能的实施方式中，所述铬层厚度为10～200nm，所述第一金层厚度为50～500nm，所述铂层厚度为0～500nm，所述金层厚度为0～300nm。

本发明还提供一种，平面碲镉汞雪崩二极管探测器，所述平面碲镉汞雪崩二极管探测器为利用上述任一方法制备得到的。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法，通过在P型碲镉汞材料上形成高掺杂N+保护环，当PN结上加载反向偏置电压时，高掺杂N+中心区形成的中心PN的耗尽区随反向偏置电压的增大向外侧扩展，当耗尽区接触到保护环时，中心PN结的耗尽区与保护环PN的耗尽区穿通，增大了耗尽区的宽度，使得中心PN结的电场向外延伸，降低了柱面结和球面结处的电场强度，进而降低了相应的隧穿电流和提高了雪崩击穿电压，使得碲镉汞雪崩二极管探测器在线性模式下可以工作在更高偏置电压下，获得更高的增益。

附图说明

图1为现有的平面碲镉汞雪崩二极管探测器结构示意图；

图2为本发明实施例的平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法流程图；

图3为本发明实施例的平面碲镉汞雪崩二极管探测器结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。

需要说明的是，本发明实施例中的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

在本文中提及的“多个或者若干个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

常规的平面碲镉汞雪崩二极管探测器由于柱面结和球面结的曲率半径要小于平面结的曲率半径，造成柱面结和球面结处的电场严重集中，使得在柱面结和球面结处于电场相关的隧穿电流远高于平面结处的隧穿电流，并且柱面结和球面结处的雪崩击穿电压要低于平面结处的雪崩击穿电压，最终导致线性模式下的增益难以提高的问题，为提高碲镉汞雪崩二极管探测器的线性增益和雪崩击穿电压，必须控制横向电场，降低相关的隧穿电流。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种能够通过保护环结构增大柱面结和球面结的耗尽宽度，进而降低了柱面结和球面结耗尽区中的电场强度，从而降低相应的隧穿漏电、提高雪崩击穿电压，最终提升线性模式下的增益。

如图2所示，其为本发明实施例提供的平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法实施流程示意图，包括以下步骤：

S21、在碲镉汞表面沉积钝化层。

具体实施时，在碲镉汞表面沉积碲化镉钝化层；或者在碲镉汞表面依次沉积碲化镉和硫化锌构成钝化层。

其中，碲化镉层厚度可以为30～500nm，硫化锌层厚度可以为0～500nm。

S22、通过常规掺杂对碲镉汞进行P型掺杂。

其中，碲镉汞P型掺杂区浓度可以为：5e15cm^-3～5e16cm^-3。

S23、通过常规掺杂在P型碲镉汞材料上进行N型掺杂，形成N⁺中心区，高掺杂N⁺保护环和低掺杂N^-区。

具体实施中，碲镉汞低掺杂N^-区浓度可以为1e14cm^-3～1e15cm^-3，碲镉汞高掺杂N⁺中心区浓度可以为1e17cm^-3～3e18cm^-3，碲镉汞高掺杂N⁺保护环浓度可以为1e17cm^-3～3e18cm^-3。

在一个实施例中，高掺杂N+保护环由至少一层保护环构成，较佳地，高掺杂N+保护环由1～4层保护环构成。其中，相邻两层高掺杂N+保护环之间的间距为2～8μm，最内层高掺杂N+保护环与碲镉汞高掺杂N+中心区的间距为2～8μm。

S24、生成穿透钝化层的位于高掺杂N+中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔。

具体实施时，可以使用干法刻蚀设备刻蚀钝化层，生成穿透钝化层的位于高掺杂N+中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔。

S25、在电极接触孔形成光敏元电极和公共电极。

具体实施时，步骤S25可以按照以下任一方式实施：

方式一、在电极接触孔依次生长铬层和第一金层，形成光敏元电极和公共电极。

这种实施方式中，铬层厚度可以为10～200nm，所述第一金层厚度可以为50～500nm。

方式二、在电极接触孔依次生长铬层、第一金层、铂层和第二金层，形成光敏元电极和公共电极。

这种实施方式中，所述铬层厚度可以为10～200nm，所述第一金层厚度可以为50～500nm，所述铂层厚度可以为0～500nm，所述金层厚度可以为0～300nm。

如图3所示，其为本发明实施例提供的平面碲镉汞雪崩二极管探测器的结构示意图，包括碲镉汞P型掺杂区31，碲镉汞低掺杂N^-区32，碲镉汞高掺杂N⁺中心区33，碲镉汞表面钝化膜层34，光敏元电极35，公共电极36，碲镉汞高掺杂N⁺保护环37。

具体实施时，在碲镉汞材料表面沉积表面钝化层34，对碲镉汞材料进行常规掺杂形成碲镉汞P型掺杂区31，在碲镉汞P型掺杂区31上通过常规掺杂方式形成碲镉汞高掺杂N⁺中心区33、碲镉汞高掺杂N⁺保护环37和碲镉汞低掺杂N^-区32，在高掺杂N⁺中心区33和碲镉汞低掺杂N^-区32外部的碲镉汞P型掺杂区31上的表面钝化膜层34中生成穿透表面钝化膜层34的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔，在电极接触孔位置沉积光敏元电极35和公共电极36。

为了更好的理解本发明，以下结合具体的实施例对本发明提供的平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法的实施过程进行说明。

在一个实施例中，平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法可以按照以下步骤实施：

步骤1、在碲镉汞表面沉积30nm碲化镉钝化层；

步骤2、通过常规掺杂对碲镉汞进行P型掺杂，掺杂浓度为5e15cm^-3；

步骤3、通过常规掺杂在P型碲镉汞材料上进行N型掺杂，形成高掺杂N⁺中心区、1层高掺杂N⁺保护环和低掺杂N^-区，高掺杂N⁺中心区的掺杂浓度为1e17cm^-3，高掺杂N+保护环的宽度为1μm，掺杂浓度为1e17cm^-3，高掺杂N⁺保护环距高掺杂N⁺中心区的距离为2μm，低掺杂N^-区的掺杂浓度为1e14cm^-3；

步骤4、使用干法刻蚀设备刻蚀钝化层，生成位于高掺杂N⁺中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔；

步骤5、在电极接触孔位置依次生长10nm的铬和50nm的金，形成光敏元电极和公共电极。

在另一实施例中，本发明实施例提供的平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法可以按照以下步骤实施：

步骤1、在碲镉汞表面依次沉积250nm碲化镉和250nm硫化锌钝化层；

步骤2、通过常规掺杂对碲镉汞进行P型掺杂，掺杂浓度为3e16cm^-3；

步骤3、通过常规掺杂在P型碲镉汞材料上进行N型掺杂，形成高掺杂N⁺中心区、2层高掺杂N⁺保护环和低掺杂N^-区，高掺杂N⁺中心区的掺杂浓度为1e18cm^-3，高掺杂N⁺保护环的宽度为2μm，掺杂浓度为1e18cm^-3，高掺杂N⁺保护环距高掺杂N⁺中心区的距离为5μm，相邻两层保护环之间的间距为5μm，低掺杂N^-区的掺杂浓度为5e14cm^-3；

步骤4、使用干法刻蚀设备刻蚀钝化层，生成位于高掺杂N⁺中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔；

步骤5、在电极接触孔位置依次生长100nm的铬、250nm的金、250nm的铂、150nm的金，形成光敏元电极和公共电极。

在又一实施例中，本发明实施例提供的平面碲镉汞雪崩二极管探测器制备方法可以按照以下步骤实施：

步骤1、在碲镉汞表面依次沉积500nm碲化镉和500nm硫化锌钝化层；

步骤2、通过常规掺杂对碲镉汞进行P型掺杂，掺杂浓度为5e16cm^-3；

步骤3、通过常规掺杂在P型碲镉汞材料上进行N型掺杂，形成高掺杂N⁺中心区、4层高掺杂N⁺保护环和低掺杂N^-区，高掺杂N⁺中心区的掺杂浓度为3e18cm^-3，高掺杂N⁺保护环的宽度为4μm，掺杂浓度为3e18cm^-3，高掺杂N⁺保护环距高掺杂N⁺中心区的距离为8μm，相邻两层保护环之间的间距为8μm，低掺杂N^-区的掺杂浓度为1e15cm^-3；

步骤4、使用干法刻蚀设备刻蚀钝化层，生成位于高掺杂N⁺中心区和碲镉汞P型掺杂区的光敏元电极接触孔和公共电极接触孔；

步骤5、在电极接触孔位置依次生长200nm的铬、500nm的金、500nm的铂、300nm的金，形成光敏元电极和公共电极。

本发明实施例提供的平面碲镉汞雪崩二极管探测器及其制备方法，当PN结上加载反向偏置电压时，高掺杂N⁺中心区形成的中心PN的耗尽区随反向偏置电压的增大向外侧扩展，当耗尽区接触到保护环时，中心PN结的耗尽区与保护环PN的耗尽区穿通，增大了耗尽区的宽度，使得中心PN结的电场向外延伸，降低了柱面结和球面结处的电场强度，进而降低了相应的隧穿电流和提高了雪崩击穿电压，使得碲镉汞雪崩二极管探测器在线性模式下可以工作在更高偏置电压下，获得更高的增益。

通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。