环孔工艺的碲镉汞长波红外576×6焦平面探测器组件
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第27卷第6期 2008年12月 红外与毫米波学报 J.Infrared Millim.Waves Vo1.27,No.6 December,2008 文章编号:1001—9014(2008)04—0417—04 环孑L工艺的碲镉汞长波红外576×6 焦平面探测器组件 姚 英 , 庄继胜 , 邹继鑫 , 姬荣斌 , 朱颖峰 , 陈晓屏 , 范宏波 , 蔡 毅 (1.昆明物理研究所,云南昆明650223;2.华东光电集成器件研究所,安徽蚌埠233042) 摘要:碲镉汞长波红外576×6焦平面探测器组件是高性能热像仪的核心组件.本文中作者完成了碲镉汞长波红外 576×6焦平面探测器组件的设计,利用环孔技术制备出576×6焦平面探测器芯片,经过杜瓦封装、配斯特林制冷 机后成为实用的探测器组件.性能参数测试表明:典型的探测率达到1.79×10“cm Hz /W,非均匀性达到14.6%, 盲元率达到6.0%,并完成探测器组件的实验室演示成像. 关键词:环孔技术;碲镉汞;长波红外;576×6焦平面探测器组件 中图分类号:TN215 文献标识码:A HgCdTe LWIR 576×6 FPA PREPARED BY LOOPHOLE TECHNIQUE YAO Ying ,ZHUANG Ji—Sheng ,ZOU Ji—Xin ,JI Rong.Bin , ZHU Ying-Feng ,CHEN Xiao.Ping ,FAN Hong.Bo ,CAI Yi (1.Kunming Institute of Physics,Kunming 650223,China; 2.East China Institute of Photo—Electron IC,Bengbu 233042,China) Abstract:HgCdTe long wave infrared(LWIR)576×6 focal plane assembly(FPA)is a core ssaembly ofhigh performance thermal imager.In this study,the design of HgCdTe LWIR 576×6 FPA Was completed,and the 576×6 focal plane arrays were prepared with loophole technology.The integrative 576×6 FPA was obtained by packaged in Dewar/Stirling cooler assembly.Parameters measurements show that the typical detector average peak detectability is 1.79×10“cm Hz /W. the uniformity is 14.6%.and the died detective element is 6.O%.The thermal imaging of the 576×6 FPA has also been demonstrated in the laboratory. Key words:loophole technique;HgCdTe;long wave ifrnred(LWIaR);576×6 focal plane assemblyc(FPA) 引言 第二代高性能热像仪的核心组件之一是长线列 长波红外焦平面探测器组件 其热灵敏度和空间分 辨力制约着热像仪的性能,热成像技术发展中的一 个主要问题是如何协调和折中热灵敏度和空间分辨 焦平面探测器组件L2 J.法国、德国研制的碲镉汞长 波红外焦平面探测器有480×4/6、576×4/6等规 格 ~ . 碲镉汞焦平面探测器由碲镉汞探测元列阵与硅 读出电路芯片互连而成,目前实现两者互连的技术 有倒装互连技术 和环孔互连技术 J.倒装互连是 力的矛盾,这既是目标探测和识别理论的客观反映, 微电子技术中的高密度封装技术,可实现将上述两 个二维芯片集成为一个芯片组件;环孔互连技术是 又是提高热像仪性能的途径.第一代热成像技术如 此,包括采用扫描和凝视技术的第二代热成像技术 也不例外.美国第二代高端热像仪采用碲镉汞长波 红外480×4/6长线列焦平面探测器组件….英国第 半导体平面工艺中的多层电极引线立体互连技术, 通过垂直互连实现探测器列阵与读出电路芯片的立 体互连.当用离子束刻蚀P型碲镉汞互连环孔的同 二代高端热像仪用碲镉汞长波红外768×8长线列 收稿日期:2007—11・06,修回日期:2008—02—20 时,汞原子内扩散与材料中剩余施主杂质的共同作 Received date:2007一l1—06,revised date:2008・02-20 作者简介:姚英(1965.),女,云南昆明人,研究员,工程硕士,从事红外探测器研究. 4l8 红外与毫米波学报 27卷 用在互连环孔周围形成一个圆柱形N—on.P结L9 J,因 此带来如下优点:工艺和设备相对简单,设备投入 少;探测元正面照射、无衬底吸收,利用人射红外辐 射能量较充分;芯片组件可靠性高,碲镉汞晶片通过 粘接并金属化环孔列阵与读出电路互连,能很好承 4_4行 @00 @@0 0@@ @@0 @@@ @@@ 寸0 受温度、机械应力;对碲镉汞材料的要求较低,在离 子刻蚀过程中的汞原子内扩散具有微区提纯作用, 可将P.N结区内的杂质原子驱赶到其外部. 通过环孔工艺可研究如下问题:离子刻蚀过程 0 I 在P型碲镉汞晶体中形成P-N结的成结机理;碲镉 汞环孔P.N结物理模型和特性_】。。;将N.on.P结构 的碲镉汞光伏探测器截止波长扩展到12.5 m;制 作高密度大规模碲镉汞探测器组件芯片,探测元的 面密度在倒装工艺中取决于铟柱列阵制作工艺,在 环孔工艺中则取决于碲镉汞晶体少数载流子的扩散 长度….此外环孔工艺可实现直接将生长在读出电 仟0@0@0@ @0@@0@.0 0@@@@0@@@0@ 路晶圆上的光敏材料制作成探测器列阵并完成两者 图1 576×6探测器列阵结构 Fig.1 The structure of 576×6 detector array 读 之间机、电、热的互连,具有把“长材料、做器件”的 一『传统探测器工艺发展成为新的“长器件”工艺的潜 力,因此在焦平面探测器领域有持续发展和应用的 前景.美国DRS公司、英国BAE公司已用环孔工艺 ..@@@@0 钉0 0@@@0.●@0@@@0 0 0 0 0@@ @@@0@@.0@@0@圩.研制和生产了包括768×8规格在内的碲镉汞长波 2#1-焦平面探测器组件¨ . } 0④@@@。』. 图2用环孔工艺制备的碲镉汞焦平面探测器示意图 Fig.2 The diagram of a loophole HgCdTe FPA 方一 址 国内采用倒装互连和环孑L互连工艺研制碲镉汞 一 一@0@@0 ●@00 0@@@@@0@ @. 能指标为 (1)输出动态范围: ̄>77dB (2)功耗:≤100mW (3)视频输出通道:8 碲镉汞材料主要性能参数为 长波红外576×6长线列焦平面探测器组件(以下简 行@@@@@0 @@0@@@. :0 0@@@@L 称576×6探测器组件).作者采用环孔工艺等研制 @0 0@0 成功576×6探测器组件样品,对环孔P.N结的成结 机理、物理模型和器件特性进行研究、测试和实验室 热成像演示. (1)组份及其非均匀性:(0.210~0.218)± 0.O03mole 1 576 X 6探测器组件设计 根据热像仪要求¨ ,作者选择576×6规格、探 (2)载流子浓度:(3—8)×10 /cm (3)迁移率:> ̄400cm /Vs 环孔工艺原理示意如图2所示.将碲镉汞晶片 测元采用错位密排结构(见图1),主要设计参数为 (1)探测元尺寸:4530 ̄m (2)排列方式:(4×144)×6 (3)探测元间距:141xm/43 m(垂直于扫 描方向/扫描方向) 和读出电路划片成单个芯片,把两者粘接为一体,减 薄碲镉汞芯片的厚度至lOp.m,在碲镉汞晶片上制 备576×6环孔N-on-P探测器列阵的同时形成垂直 互连环孔列阵,将环孔列阵金属化后完成碲镉汞探 576×6探测器组件采用与288×4探测器相同 测元列阵与读出电路芯片的垂直互连. 的工程化杜瓦与0.5W整体集成式斯特林制冷机. 通过电路建模、设计软件等完成576×6 CMOS读出电路的设计与仿真,其主要功能为:任 意像元剔除,双向TDI扫描,积分时间可调,8档输 入积分电荷容量可调,16位TDI移位寄存器,抗光 晕功能和背景撇除功能.其设计和达到的主要性 2 576 x6探测器实验结果 环孑L碲镉汞长波红外探测器,. 特性和光谱响 应如图3和图4所示,576×6探测器芯片照片如图 5所示,576×6环孔列阵金属化的局部照片如图6 所示.用波长900nm、聚焦光斑为5 m的激光束扫 4期 姚英等:环TL32艺的碲镉汞长波红外576×6焦平面探测器组件419 1.5 1.0 O.5 6 0 .0.5 1.O —.1.5 .2.00 一1.5 一1.OO -0.50 V 0.O0 0.5O Tho I- nfnFig 3 The I-V curve of LWIR loophole HgCdTe detector ・—图s环孔工艺制备的长波红外碲镉汞探测器的,- 曲线 1.O O.9 0.8 O.7 0.6 。 6 5 ; 盏 片l。。p 。576 6 ray0.5 重0.4 0l3 0.2 O.1 0 图4环孔工艺制备的长波红外碲镉汞探测器的光谱响应 曲线 Fig.4 The spectrum response curve of a LWIR loophole HgCdTe detector 图7 576×6探测元列阵激光感生电流成像的局部照片 Fig.7 The part of a photo of laser beam induction current (LBIC)of 576 Z6 array 表1 576 x6探测器芯片的主要性能参数 Table 1 The main performance of the 576×6 FPA 响应波段( m) 平均峰值响应率(、r/w) 平均峰值探测率(cm Hz /W) 响应率不均匀性(%) 7.5—10.0 1.90 X10s 1.79×10“ l4.6 6.0 盲元率(%) 3分析与讨论 用环孔工艺研制的碲镉汞光伏探测器的,- 特 图5用环孔工艺研制的576×6碲镉汞焦平面探测器芯片 照片 Fig.5 The photo of the 576 X 6 loophole HgCdTe FPA chip 性良好,典型R A可达20 ̄cm 以上,典型探测器的 峰值波长9.8 m,满足设计要求.因碲镉汞探测器 列阵芯片上、下两个表面均需要钝化,良好的,. 特 性反映了碲镉汞晶片的减薄、钝化和成结等关键工 描576 X6探测器芯片、用芯片两侧的地电极收集 被激发的感生电流,并用其调制显示器即得到其 激光感生电流像,如图7所示.576 X 6探测器组件 测试参数如表1所列,576×6探测器组件所成热 图像如图8所示. 艺已达到研制出576 X6探测器芯片的水平,作者甚 至用碲镉汞体晶也制备出可进行热成像演示的576 X6探测器. 用环孔工艺可制作出均匀、互连成功率很高的 576 X6环孔列阵.图6中的亮点是环孔列阵金属化 420 红外与毫米波学报 27卷 采用环孑L工艺可以实现大部分576×6探测器芯片 组件100%互连.激光感生电流成像技术作为576× 6探测器芯片组件中间过程测试手段,芯片的感生 电流图像可以半定量对576×6探测器芯片进行性 能评估.组件参数测试和成像演示表明:用环孔工艺 制作的576×6探测器组件性能达到了热像仪和组 件总体设计的第一个目标. 致谢 作者衷心地感谢昆明物理研究所红外探测器 图8 576×6焦平面探测器组件的原始热图像(未进行非 均性校正) Fig.8 The original thermal imaging of 576×6 FPAf no Non— 材料、杜瓦、制冷机、热像仪项目组的全体同志所做出 的贡献,感谢华东光电技术研究所读出电路项目组为 Unifomirty Correlation) 读出电路做出的贡献,特别感谢本所红外焦平面探测 器研究室的全体同志长期辛勤的工作和努力. 后的光反射.通过大量试验,作者实现了70%的576 ×6探测器芯片达到100%的互连.对576×6探测 REFERENCES 器进行了高低温贮存、高低温工作、温度循环、机械 振动和冲击等环境试验证明环孔互连具有较高的热 学及力学可靠性. [1]Michael A Kinch.HDVIPT FPA technology at DRS[J]. SP腰,2001,4369:566—_578. 『2]BakerIM.Maxey C D.Summary ofHgCdTe 2D arraytech. 在激光感生电流图像中,一个灰度代表一个感 生电流值.灰度大对应感生电流强度大,反之亦然. 当激光束扫描576×6探测器芯片无光敏元的碲镉 汞晶片部分,从芯片的两个地电极测量感生电流.因 晶体内部均匀、无内建电场,所以两个电极之间无感 生电流输出,对应这些部分的感生电流图像呈均匀 且无对比度的灰色.当激光束扫描到576×6探测器 芯片光敏元列阵时,每个探测元形成灰度均匀、但对 比度不同的一对半圆图像.这是其P—N结内建电场 对感生电流作用的结果:当感生电流方向与内建电 场一致时,两个地电极之间测量到较强的电流,故对 应部分的图像灰度深,反之则浅.在探测器列阵边 缘,感生电流的路径短、电流复合小,因此其图像比 中间部分的灰度深.激光束扫描测试结果表明:好的 nology in the U.K[J].Journal ofElectronic Materials, 2001,30(6):682—689. [3]Stewaa Crawford,John Mc Donald,Adrian Glass,et a1. SxGA resolution IR sensor:STAIRS C l J I.SPIE,2002, 4719:156—166. [4]Philippe Tribolet,Philippe chorier,Alain Manissadjian,et 。f.High Performance infrared detectors at sofradir[J]. SPIE,2000,4o28:438—456. [5]Jean Pierre Chatard.Sofradir second—generation IRFPA technology:recent development[J].SPIE,1994,2269: 418—425. f 6]Jean Piere Chatard.Sofradir MCT IRFPA new development l J 1. 性,1995,2552:767_789. 『7]Rainer Damkoehler,Kurt Eberhardt,Reinhard Oelmaier,et a1.High performance linear detector modules I J 1.SPIE, 2O00。4028:192—。20o. 『8]Baker I M.Infrared Radiation Ima ̄ng Devices and Methods for Their ManufactureI P 1.US Patent,4521798,1982. [9]YAO Ying.Mechanism analysis of P-HgCdTe ion milling junction[J].Infrared Technology(姚英.P型HgCdTe离 子刻蚀P—N结成结机理分析.红外技术),2007,29(2): 71—_75. 576×6探测器芯片其探测元对激光束的光电响应 大且均匀,P.N结的感生电流图像对称、边界清晰且 不相交.这一中间测试结果从探测器组件的参数测 试和整机的热成像中得到进一步印证. [10]QUAN Zhi-Jue,LI Zhi—Feng,LU Wei,et a1.Parameters extraction from the dark current characteristics of long・・wave・- length HgCdTe photodiode[J]. Inrarfed MiUim.Waves (全知觉,李志锋,陆卫,等.光伏型碲镉汞长波探测器暗 电流特性的参数提取研究.红外与毫米波学报),2007, 26(2):92—96. [11]ZHOU Li.Wei,LIU Yu.Yah.The Target Detecting and 4结语 综上所述,用环孑L工艺制作的长波红外碲镉汞 探测器典型R。A大于20 ̄cm ,截止-波长大于 9.8txm,具有满足研制576×6探测器组件的性能. Distinguishing[M].Beijing:Institute of Technology Press (周立伟,刘玉岩.目标探测与识别,北京:北京理工大学 出版社),2002:121一l78.