阅读说明：本技术 碲镉汞红外焦平面器件及其制备方法 (HgCdTe infrared focal plane device and its preparing method ) 是由 陈慧卿 胡尚正 吴卿 王成刚 孙浩 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种碲镉汞红外焦平面器件及其制备方法,所述方法包括：将砷离子从掺铟碲镉汞外延层的部分待处理表面注入掺铟碲镉汞外延层内；将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内,并对加热管抽真空、加热；在加热后的掺铟碲镉汞外延层的待处理表面依次镀碲化镉膜和第一硫化锌膜；将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内,并对加热管抽真空、加热；去除第一硫化锌膜,在碲化镉膜远离掺铟碲镉汞外延层的表面镀第二硫化锌膜。采用本发明,可以降低碲镉汞红外焦平面器件的暗电流和串联电阻,提高碲镉汞红外焦平面器件的零偏阻抗值,实现碲镉汞红外焦平面器件的低成本、小尺寸、高性能。(The invention discloses a mercury cadmium telluride infrared focal plane device and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: injecting arsenic ions into the indium-doped tellurium-cadmium-mercury epitaxial layer from the part of the surface to be treated of the indium-doped tellurium-cadmium-mercury epitaxial layer; putting the indium tellurium cadmium mercury doped epitaxial layer injected with arsenic ions into a heating tube filled with gaseous mercury, and vacuumizing and heating the heating tube; sequentially plating a cadmium telluride film and a first zinc sulfide film on the surface to be treated of the heated indium tellurium cadmium mercury doped epitaxial layer; putting the indium tellurium cadmium mercury doped epitaxial layer plated with the cadmium telluride film and the first zinc sulfide film into a heating tube filled with gaseous mercury, and vacuumizing and heating the heating tube; and removing the first zinc sulfide film, and plating a second zinc sulfide film on the surface of the cadmium telluride film far away from the indium-doped mercury cadmium telluride epitaxial layer. By adopting the invention, the dark current and the series resistance of the HgCdTe infrared focal plane device can be reduced, the zero bias impedance value of the HgCdTe infrared focal plane device is improved, and the low cost, small size and high performance of the HgCdTe infrared focal plane device are realized.)

碲镉汞红外焦平面器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及红外焦平面探测技术领域，尤其涉及一种碲镉汞红外焦平面器件及其制备方法。

背景技术

红外焦平面探测技术具有光谱响应波段宽、可获得更多地面目标信息、能昼夜工作等显著优点，广泛应用于预警探测、情报侦察、毁伤效果评估以及农牧业、森林资源的调查、开发和管理、气象预报、地热分布、地震、火山活动，太空天文探测等军事和民事领域。碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是一种重要的红外探测材料，由于其禁带宽度可调，探测光谱范围由短波波段一直延伸到甚长波波段。

相关技术中，采用B+离子注入形成n-on-p结制备碲镉汞光伏探测器。但是，由Hg空位掺杂的p型碲镉汞材料得到的n-on-p平面结器件较难得到高的零偏阻抗值。

发明内容

本发明实施例提供一种碲镉汞红外焦平面器件及其制备方法，用以解决现有技术中n-on-p型碲镉汞红外焦平面器件暗电流高、零偏阻抗值低的问题。

一方面，本发明实施例提出一种碲镉汞红外焦平面器件的制备方法，包括：

将砷离子从掺铟碲镉汞外延层的部分待处理表面注入所述掺铟碲镉汞外延层内；

将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对所述加热管抽真空、加热；

在加热后的掺铟碲镉汞外延层的待处理表面依次镀碲化镉膜和第一硫化锌膜；

将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对所述加热管抽真空、加热；

去除所述第一硫化锌膜，在所述碲化镉膜远离所述掺铟碲镉汞外延层的表面镀第二硫化锌膜。

根据本发明的一些实施例，所述将砷离子从掺铟碲镉汞外延层的部分待处理表面注入所述掺铟碲镉汞外延层内，包括：

在掺铟碲镉汞外延层的待处理表面涂覆光刻胶，并进行光刻，形成至少一个光刻区域；

采用离子注入技术将砷离子从所述待处理表面的非光刻区域注入所述掺铟碲镉汞外延层内；

去除所述待处理表面的所述光刻胶。

在本发明的一些实施例中，所述方法还包括：

在掺铟碲镉汞外延层的待处理表面涂覆光刻胶之前，采用液相外延工艺在碲锌镉衬底上形成掺铟碲镉汞外延层。

根据本发明的一些实施例，所述砷离子的注入能量为a，360KeV≤a≤500KeV。

根据本发明的一些实施例，所述砷离子的注入密度为b，2e14/cm²≤b≤2e15/cm²。

根据本发明的一些实施例，所述将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对所述加热管抽真空、加热，包括：

将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入加热管内；

向所述加热管内放入液态汞，并将所述加热管真空封装；

采用第一温度持续加热所述加热管第一时间段；

采用第二温度持续加热所述加热管第二时间段；

其中，所述第二温度小于第一温度。

根据本发明的一些实施例，所述镀碲化镉膜的厚度大于等于100纳米且小于等于200纳米；

所述第一硫化锌膜的厚度大于等于200纳米且小于等于300纳米。

根据本发明的一些实施例，将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对所述加热管抽真空、加热，包括：

将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入加热管内；

向所述加热管内放入液态汞，并将所述加热管真空封装；

采用第三温度持续加热所述加热管第三时间段；

采用第四温度持续加热所述加热管第四时间段；

其中，所述第四温度小于第三温度。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在所述碲化镉膜远离所述掺铟碲镉汞外延层的表面镀第二硫化锌膜之后，采用腐蚀工艺在所述第二硫化锌膜上腐蚀出接触孔，所述接触孔贯通所述第二硫化锌膜和所述碲化镉膜以连通所述掺铟碲镉汞外延层注有所述砷离子的区域。

另一方面，本发明实施例还提出一种碲镉汞红外焦平面器件，包括：

掺铟碲镉汞外延层；

掺砷碲镉汞层，所述掺砷碲镉汞层嵌设于所述掺铟碲镉汞外延层；

镀碲化镉膜，所述镀碲化镉膜层叠设置于所述掺铟碲镉汞外延层设有所述掺砷碲镉汞层的表面；

第二硫化锌膜，所述第二硫化锌膜层叠设置于所述镀碲化镉膜远离所述掺铟碲镉汞外延层的表面；

金属连接件，所述金属连接件贯通所述第二硫化锌膜和所述镀碲化镉膜且与所述掺砷碲镉汞层连接。

采用本发明实施例，可以降低碲镉汞红外焦平面器件的暗电流和串联电阻，提高碲镉汞红外焦平面器件的零偏阻抗值，实现碲镉汞红外焦平面器件的低成本、小尺寸、高性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的

具体实施方式

。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例中碲镉汞红外焦平面器件的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例中碲镉汞红外焦平面器件的制备方法的流程图；

图3是本发明实施例中碲镉汞红外焦平面器件。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一方面，本发明实施例提出一种碲镉汞红外焦平面器件的制备方法，如图1所示，所述方法包括：

S101，将砷离子从掺铟碲镉汞外延层的部分待处理表面注入掺铟碲镉汞外延层内；

这里的“掺铟碲镉汞外延层”可以理解为铟碲镉汞材料内掺有铟离子。另外，需要说明的是，砷离子是从掺铟碲镉汞外延层的部分待处理表面注入的，因此，掺铟碲镉汞外延层内部的部分区域具有砷离子，还有部分区域是没有砷离子的。掺铟碲镉汞外延层内有砷离子的区域可以形成P型区域，没有砷离子的掺铟碲镉汞外延层为N型区域。

S102，将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对加热管抽真空、加热；

可以理解的是，经过步骤S101处理后的掺铟碲镉汞外延层需要在具有汞的真空环境下加热。由于砷离子As是一种两性掺杂元素，既可以作为浅施主As_Hg+置于汞Hg位形成N型，又可以作为浅受主As_Te-置于碲Te位形成P型。通过加热工序，可以激活砷离子，还可以使汞与掺铟碲镉汞外延层相互作用，以使得掺铟碲镉汞外延层的电性能保持为N型。

S103，在加热后的掺铟碲镉汞外延层的待处理表面依次镀碲化镉膜和第一硫化锌膜；

需要说明的是，步骤S103可以理解为钝化处理的过程。由此，可以有效降低p-on-n型碲镉汞红外焦平面器件表面漏电流的概率。

S104，将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对加热管抽真空、加热；

可以理解的是，经过步骤S103处理后的镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层需要在具有汞的真空环境下加热。由此，可以实现掺铟碲镉汞外延层与碲化镉膜之间的相互扩散，可以进一步降低p-on-n型碲镉汞红外焦平面器件表面漏电流的概率，还可以使汞与掺铟碲镉汞外延层相互作用，以使得掺铟碲镉汞外延层的电性能保持为N型。

S105，去除第一硫化锌膜，在碲化镉膜远离掺铟碲镉汞外延层的表面镀第二硫化锌膜。

由此，可以避免第一硫化锌膜中掺杂汞。

采用本发明实施例的碲镉汞红外焦平面器件的制备方法，可以形成p-on-n型碲镉汞红外焦平面器件，p-on-n型碲镉汞红外焦平面器件的载流子浓度通过铟掺杂可以较为容易的控制在一定范围内,更容易获得长的少数载流子(空穴)寿命，从而可以降低碲镉汞红外焦平面器件内的暗电流、提高零偏阻抗值。而且多数载流子(电子)具有高的迁移率，从而可以有效降低其串联电阻。另外，通过注入砷离子形成p区，与相关技术中的n-on-p同为平面结工艺，从而有利于现有工艺线兼容，有利于制备更大面阵和更小间距的焦平面器件。

在本发明的一些实施例中，掺铟碲镉汞外延层的载流子浓度(即掺铟浓度)处于10¹⁴-10¹⁵cm^-3范围内。试验证明，在该范围内的铟掺杂浓度可以保证具有较小的暗电流。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，将砷离子从掺铟碲镉汞外延层的部分待处理表面注入掺铟碲镉汞外延层内，包括：

在掺铟碲镉汞外延层的待处理表面涂覆光刻胶，并进行光刻，形成至少一个光刻区域；

采用离子注入技术将砷离子从待处理表面的非光刻区域注入掺铟碲镉汞外延层内；

去除所述待处理表面的所述光刻胶。

由此，可以便于控制砷离子的注入区域与注入量。

在本发明的一些实施例中，碲镉汞红外焦平面器件的制备方法还包括：

在掺铟碲镉汞外延层的待处理表面涂覆光刻胶之前，采用液相外延工艺在碲锌镉衬底上形成掺铟碲镉汞外延层。

根据本发明的一些实施例，砷离子的注入能量为a，360KeV≤a≤500KeV。注入能量影响砷离子的注入深度，控制注入能量在该范围内，可以保障砷离子注入至掺铟碲镉汞外延层内部，又能避免贯通掺铟碲镉汞外延层。

根据本发明的一些实施例，砷离子的注入密度为b，2e14/cm²≤b≤2e15/cm²。注入密度影响砷离子的掺杂浓度，控制注入浓度在该范围内，可以保证在掺铟碲镉汞外延层内形成P型区。

根据本发明的一些实施例，砷离子的注入角度可以在5度至9度之间，例如，砷离子的注入角度可以为7度。

根据本发明的一些实施例，将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对加热管抽真空、加热，包括：

将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入加热管内；

向加热管内放入液态汞，并将加热管真空封装；需要说明的是，在加热的过程中，液态汞可以蒸发形成气态汞，充斥在掺铟碲镉汞外延层周围。

采用第一温度持续加热加热管第一时间段；

采用第二温度持续加热加热管第二时间段；

其中，第二温度小于第一温度。

由此，通过高温退火可以完成砷离子的电激活并消除晶格损伤，低温退火可以填充汞空位使掺铟碲镉汞外延的电性能恢复为N型。

在本发明的一些示例中，第一温度的取值范围可以为370摄氏度至430摄氏度。第二温度的取值范围可以为230摄氏度至270摄氏度。例如，第一温度可以为400摄氏度，第二温度可以为250摄氏度。

进一步的，第一时间段可以小于第二时间段。在本发明的一些示例中，第一时间段的取值范围可以为0.5小时至1.5小时，第二时间段的取值范围可以在65小时至80小时。例如，第一时间段可以为1小时，第二时间段可以为72小时。

在本发明的一些实施例中，加热管可以为石英管。加热管可以水平放置在退火炉中进行高低温退火处理。

在本发明的一些实施例中，采用磁控溅射的工艺在在加热后的掺铟碲镉汞外延层的待处理表面依次镀碲化镉膜和第一硫化锌膜。

根据本发明的一些实施例，镀碲化镉膜的厚度大于等于100纳米且小于等于200纳米；

第一硫化锌膜的厚度大于等于200纳米且小于等于300纳米。

根据本发明的一些实施例，将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入充有气态汞的加热管内，并对加热管抽真空、加热，包括：

将镀有碲化镉膜和第一硫化锌膜的掺铟碲镉汞外延层放入加热管内；

向加热管内放入液态汞，并将加热管真空封装；

采用第三温度持续加热加热管第三时间段；

采用第四温度持续加热加热管第四时间段；

其中，第四温度小于第三温度。

由此，通过高温退火可以完成掺铟碲镉汞外延层与碲化镉膜之间的相互扩散，可以进一步降低p-on-n型碲镉汞红外焦平面器件表面漏电流的概率，低温退火可以填充汞空位使掺铟碲镉汞外延的电性能恢复为N型。

在本发明的一些示例中，第一温度的取值范围可以为270摄氏度至330摄氏度。第二温度的取值范围可以为230摄氏度至270摄氏度。例如，第一温度可以为300摄氏度，第二温度可以为250摄氏度。

进一步的，第一时间段可以小于第二时间段。在本发明的一些示例中，第一时间段的取值范围可以为4小时至6小时，第二时间段的取值范围可以在65小时至80小时。例如，第一时间段可以为5小时，第二时间段可以为72小时。

根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：

在碲化镉膜远离掺铟碲镉汞外延层的表面镀第二硫化锌膜之后，采用腐蚀工艺在第二硫化锌膜上腐蚀出接触孔，接触孔贯通第二硫化锌膜和碲化镉膜以连通掺铟碲镉汞外延层注有砷离子的区域。

例如，可以采用光刻技术在第二硫化锌膜的外表面光刻接触孔图形，并采用超声辅助湿法腐蚀工艺、选用适当的腐蚀液腐蚀第二硫化锌膜和碲化镉膜，使得接触孔贯通第二硫化锌膜和碲化镉膜以连通掺铟碲镉汞外延层注有砷离子的区域。

进一步的，将金属连接件的一端穿过接触孔并连接掺铟碲镉汞外延层注有砷离子的区域。金属连接件可以为铬件、金件或铂件等。

下面参照图2以一个具体的实施例详细描述本发明实施例的碲镉汞红外焦平面器件的制备方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

如图2所示，根据本发明实施例的碲镉汞红外焦平面器件的制备方法，包括：

S201，采用液相外延工艺在碲锌镉衬底上形成掺铟碲镉汞N型外延层。

需要说明的是，掺铟碲镉汞N型外延层的载流子浓度需控制在10¹⁴-10¹⁵cm^-3范围内。

S202，在掺铟碲镉汞N型外延层的待处理表面涂覆光刻胶，并进行光刻，形成至少一个光刻区域。

S203，采用注入能量为360KeV、注入剂量为2e14/cm²、注入角度为7°的离子注入工艺将砷离子从待处理表面的非光刻区域注入掺铟碲镉汞N型外延层内。

S204，去除待处理表面的光刻胶。

S205，将注有砷离子的掺铟碲镉汞N型外延层放入石英管内，并向石英管内放入液态汞后将石英管真空封装。

需要说明的是，由于掺铟碲镉汞N型外延层与碲锌镉衬底是连接在一起的，因此这里所提到的“将注有砷离子的掺铟碲镉汞外延层放入石英管内”可以理解为将掺铟碲镉汞N型外延层与碲锌镉衬底整体放入石英管内。

S206，将石英管水平放入退火炉中以400℃的高温加热1小时后以250℃的低温加热72小时。

S207，采用磁控溅射工艺在加热后的掺铟碲镉汞N型外延层的待处理表面依次镀碲化镉膜和第一硫化锌膜。

其中，镀碲化镉膜的厚度可以为200nm，第一硫化锌膜的厚度可以为200nm。

S208，将掺铟碲镉汞N型外延层再次放入石英管内，并向石英管内放入液态汞后将石英管真空封装。

S209，将石英管水平放入退火炉中以300℃的高温加热5小时后以250℃的低温加热72小时。

S210，用盐酸去除第一硫化锌膜，在碲化镉膜的外表面镀第二硫化锌膜。

需要说明的是，第二硫化锌膜与第一硫化锌膜是同一种物质。

S211，采用腐蚀工艺形成贯通第二硫化锌膜和碲化镉膜的接触孔，以连通外界与掺铟碲镉汞N型外延层注有砷离子的P型区域。

S212，将金属连接件的一端穿过接触孔并连接掺铟碲镉汞N型外延层注有砷离子的P型区域。

金属连接件可以为铬件、金件或铂件等。

采用本发明实施例，可以形成p-on-n型碲镉汞红外焦平面器件，可以明显降低碲镉汞红外焦平面器件内的暗电流、提供其工作温度，而且，还可以与现有n-on-p工艺平台方便且较易的实现兼容，从而可以有效控制制造成本。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

另一方面，本发明实施例还提出一种碲镉汞红外焦平面器件1，如图3所示，碲镉汞红外焦平面器件1包括：掺铟碲镉汞外延层10、掺砷碲镉汞层20、镀碲化镉膜30、第二硫化锌膜40和金属连接件50。

其中，掺砷碲镉汞层20嵌设于掺铟碲镉汞外延层10。镀碲化镉膜30层叠设置于掺铟碲镉汞外延层10的待处理表面。待处理表面为掺铟碲镉汞外延层10用于嵌设掺砷碲镉汞层20一侧的表面。第二硫化锌膜40层叠设置于镀碲化镉膜30远离掺铟碲镉汞外延层10的表面。金属连接件50依次贯通第二硫化锌膜40和镀碲化镉膜30且与掺砷碲镉汞层20连接。

采用本发明实施例，可以降低碲镉汞红外焦平面器件的暗电流和串联电阻，提高碲镉汞红外焦平面器件的零偏阻抗值，实现碲镉汞红外焦平面器件的低成本、小尺寸、高性能。

需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。