sofradir的第三代红外探 测器技术

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1、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

2、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

3、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

4、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。  

5、  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3c

6、m²。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

7、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

8、，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SOFRADIRScorpio电视阵列，其像素间距都为15µm）。    在中等106cm