锑化铟红外探测器的制备工艺与器件性能分析

锑化铟红外探测器的制备工艺与器件性能分析

1张乔乔、2尚峰

陕西华星电子集团有限公司  陕西省咸阳市 712000

摘要：红外探测技术在军事、医疗、安防、环境监测等领域具有广泛的应用。目前市场上使用的红外探测器主要包括碲镉汞、铟稼砷等材料。然而，这些材料存在着某些缺点，如高成本、毒性、热电堆效应等。因此，寻找新的红外材料和探测器结构具有重要的意义。

关键词：锑化铟；红外探测器；制备工艺；器件性能；分析

1锑化铟红外探测器的制备工艺

1.1锑化铟材料选择和准备

①材料选择：选择高纯度的锑化铟原料，确保材料的质量和纯度。一般来说，优质的锑化铟应具有高晶格完整性和低杂质含量，以获得优异的光电性能。进行材料的表征和分析，例如X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）等，以确定材料的结晶质量和纯度。②锑化铟前驱体制备：先进的制备方法包括气相外延法（VPE）和分子束外延法（MBE）。这些技术可以制备出高质量的锑化铟薄膜。在VPE中，将锑化铟原料（如锑化铟和碲化铟）放置在反应室中，在适当的反应条件下进行生长。在MBE中，使用分子束源蒸发锑化铟原料，通过对衬底表面进行分子束轰击和生长控制，得到锑化铟薄膜。③锑化铟前驱体准备：锑化铟前驱体的制备可以使用化学气相沉积（CVD）或物理气相沉积（PVD）等技术。在CVD中，化学反应源物质通过气体化学反应在衬底表面生成锑化铟薄膜。常用的前驱体有有机金属化合物，如三甲基锗甲酮和叔丁基金属化合物等。在PVD中，通过蒸发和沉积的方法，从固体源材料中释放锑化铟原子或分子，并在衬底上形成薄膜。④前驱体处理和表征：经过前驱体制备后，需要对前驱体进行处理和表征，以确保其适于锑化铟红外探测器的制备工艺。可以使用表面处理方法，例如等离子体清洗、酸洗、热退火等，以去除杂质和提高薄膜质量。

1.2锑化铟薄膜的生长

①生长方法：常见的锑化铟薄膜生长方法包括分子束外延法（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和蒸发沉积等。不同的方法具有不同的特点和适用条件，可以根据实际需求选择合适的生长方法。②衬底选择：锑化铟薄膜的生长需要选择合适的衬底材料。常用的衬底材料有非晶硅、石英、镀金的硅（Au/Si）等。衬底的选择应考虑材料匹配性、热膨胀系数等因素。③生长参数控制：控制生长参数是获得高质量锑化铟薄膜的关键。包括生长温度、压力、衬底清洁和预热处理等因素。生长温度应根据材料的生长特性和结晶性进行选择，通常在300-500摄氏度之间。压力的控制也对薄膜生长的质量有重要影响，通常在10^-6 torr量级。衬底的清洁和预热处理可以使用等离子体清洗或热退火等方法，以去除表面的杂质和提高薄膜的质量。④监测和调节：在生长过程中，通过表征和监测工具如原位反射高能电子衍射（RHEED）、原位光谱椭圆偏振（SE/PR）和原位物理性质测量（电子洛伦兹显微镜等）等，对生长的锑化铟薄膜进行实时监测和调节，以保证薄膜的质量和厚度。

1.3碳掺杂和掺杂剂激活

碳掺杂是指将碳元素引入半导体材料中，制备碳掺杂半导体。掺杂剂激活是指在半导体材料中引入掺杂剂（如硼、磷等）后，通过后续的加热处理等过程激活掺杂剂，使其成为可用于电子传导或空穴传导的杂质原子。

碳掺杂可以改变半导体的电阻率、带隙结构、材料光电性能等，在某些应用中有着重要的作用。掺杂剂激活则可以在半导体材料中形成正电荷或负电荷的激活杂质，从而控制材料的导电性能。掺杂剂激活的方法主要包括加热退火、激光退火等。

在实际应用中，常常需要进行碳掺杂和掺杂剂激活操作的组合。例如，在锗基红外探测器中，锗掺杂了一定量的碳和硼杂质，在制备过程中需要加热退火来激活这些杂质原子，从而增强材料的光电性能。在硅基的电子器件中，通常也采用掺杂剂激活的方法来调控材料的电导率。

1.4锑化铟红外探测器的器件结构制备

①衬底准备：选择合适的衬底材料，如石英或非晶硅。清洗和处理衬底，以去除表面污染物和提高生长质量。②锑化铟薄膜生长：采用合适的生长方法，如分子束外延法（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD），在衬底上生长锑化铟薄膜。控制生长参数，如温度、压力和生长速率，以获得高质量的锑化铟薄膜。③光电转换结构制备：利用光刻技术，在锑化铟薄膜上定义光电转换结构，如PN结或PIN结。通过电子束蒸发、磁控溅射等方法，在指定位置沉积金属电极。④衬底腐蚀：使用化学或物理腐蚀方法，将衬底在光电转换结构的周围部分腐蚀掉，以减少漏电流和衰减。⑤电极制备：利用光刻技术，结合金属蒸发或磁控溅射等方法，制备电极的图案和结构。选择合适的电极材料，如金或铂。⑥封装和测试：封装锑化铟红外探测器，通常采用封装盒和焊接技术，确保器件的完整性和稳定性。进行性能测试，如光谱响应测试、响应速度测试和噪声测试，评估红外探测器的特性和性能。

2锑化铟红外探测器的器件性能分析

2.1光谱响应特性

锑化铟红外探测器的光谱响应范围是评估其在红外区域的探测能力的重要指标。通过测量器件在不同波长下的响应强度，可以确定其工作波段和响应频率范围。分析光谱响应特性的方法通常是使用光源发射一系列不同波长（通常是单色或宽带光源）的光信号，然后测量探测器在每个波长下的响应强度。通常会使用示波器、光谱仪或光电二极管等设备进行测量。通过分析测得的响应曲线，可以了解和评估锑化铟红外探测器在不同波长下的性能，以确定其适用于特定的红外应用需求。

2.2灵敏度和探测限

灵敏度是指器件对入射光信号的响应能力，通常用光电流或信号噪声比来表示。较高的灵敏度意味着更小的光信号能够被探测器探测到。探测限是指能够得到可靠信号的最低光信号强度。探测限的低值表示探测器对微弱信号的敏感性高。

2.3响应速度

响应速度是指探测器对光信号的响应时间。较快的响应速度意味着探测器可以快速地感知和反应光信号的变化。分析响应速度的方法通常是使用脉冲光源或连续光源，通过改变信号的频率或频率分量来测量其输出响应。然后观察和分析探测器的响应时间、波形和畸变情况。在实验分析时，需要注意探测器的工作条件和环境，如温度、光照强度和外界电磁干扰等因素，以保证实验结果的准确性。

2.4噪声特性

噪声包括热噪声、暗电流噪声和读出电路噪声等。低噪声水平可以提高探测器的信号质量和分辨率。在恒定的光照强度下，测量探测器在不同温度下的输出信号，并分析信号中的噪声分量。测量探测器在没有外部光照的情况下的输出信号，分析暗电流噪声的水平。通过改变读出电路的设计和参数，优化读出电路噪声特性。使用校正方法来减小或消除探测器的非线性特性对信号的影响。

2.5温度依赖性

温度对锑化铟红外探测器的性能会产生一定影响，如响应强度的降低、噪声的增加等。因此，评估器件在不同温度下的性能稳定性是重要的。为了评估温度依赖性，通常需要进行以下相关研究和测试：①测量探测器在不同温度下的灵敏度、响应速度和响应特性等参数，并进行对比分析。②研究探测器的噪声特性在不同温度条件下的表现，以评估温度对噪声水平的影响。③考虑温度补偿或校正方法，以提高探测器在不同温度下的性能稳定性。

结语：

综上所述，锑化铟红外探测器的制备工艺和器件性能分析是不断优化和提高其性能的关键环节。通过合理的制备工艺和精确的性能分析，可以实现锑化铟红外探测器的高性能制备和应用。未来，在不断提升材料品质和加工工艺的基础上，锑化铟红外探测器有望在高性能红外成像、无人机遥感等领域发挥更大的作用。

参考文献：

[1]刘洋，张悦，牛春晖等.激光辐照锑化铟红外探测器的热应力损伤研究[J].激光与红外，2018年7期.

[2]付安英，马睿，薛三旺.高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制[J].现代电子技术，2007年2期.