離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法

2023-06-03 10:26:06 1

專利名稱：：離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法
技術領域：
：本發明涉及紅外探測器製備工藝參數優化研究技術，特別涉及光伏型紅外探測器以離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法。
背景技術：
：以碲鎘汞(MCT)薄膜材料為基礎的光伏型紅外探測器性能的優化研究，其關鍵是製備高性能碲鎘汞p-n結。所述的碲鎘汞薄膜因具有高吸收係數和高量子效率，在MCT的三元合金體系中，可以通過調節鎘組分值而獲得不同的禁帶等突出優點，現已成為民用和軍事上製備紅外探測器的重要材料。光伏型紅外探測器性能優劣取決於器件單元的零偏壓電阻(Ro)值與探測器單元p-n結面積(A)兩者乘積(RqA)的參數。其中碲鎘汞p-n結的面積(A)由橫向結、縱向結兩部分構成，其成結工藝至關重要。目前，業內認為採用以離子注入製備p-n成結工藝相對較簡單，該工藝參數優化過程通常是在不同的基底材料上進行不同離子注入劑量的試驗，從有限次試驗數據得出電壓一電流特性曲線，而優選出最佳的離子注入劑量。但是，此方法明顯存在著不足之處。專利技術"光伏型紅外探測器碲鎘汞材料離子注入劑量優化方法"(ZL200510122955.5)克服了以上常規技術手段所存在的試驗成本較高、需要消耗很多的時間和精力、以及因不同批次製備的材料差異而影響不同參數系列單元試驗結果造成可比性差等缺陷，還明顯提高了幾十倍的試驗效率。本申請人在上述專利中優化離子注入劑量的基礎上又進行了深入研究，通過改變離子注入阻擋層的厚度，優選出p-n結最佳的橫向寬度和縱向深度，進一步提高了所製備的p-n結性能。
發明內容本發明提供了一種離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法，目的在於通過對離子注入阻擋層厚度的優化確定，從而優化碲鎘汞p-n結成結工藝，繼而獲得單元的零偏壓電阻值與探測器單元p-n結面積(A)兩者乘積(RoA)的優化參數，進一步提高了光伏型紅外探測器性能。本發明的技術解決方案本發明採用分子束外延技術生長的同一塊碲鎘汞薄膜材料為基底，並製作多塊鏤刻有不同寬窄隙縫的掩膜板；蒸鍍一定厚度的ZnS薄膜作為離子注入的阻擋層；在阻擋層上光刻出相應的離子注入區；進行離子注入；再完成後道p-n結的成結工藝，得不同單元的電壓-電流特性曲線及不同單元的零偏微分電阻值Ro值。其中，離子注入的阻擋層是通過多次疊加蒸鍍獲得的不同厚度ZnS薄膜阻擋層；離子注入的劑量為優化後的同一離子劑量、同一注入能量值。本發明至完成離子注入的主要工藝步驟為(一)製作多塊鏤刻有不同寬窄隙縫的掩膜板；(二)將多塊掩膜板依次分別疊加在基底碲鎘汞薄膜材料上，並依次蒸鍍不同厚度的ZnS薄層，具體操作是調整不同的ZnS蒸鍍時間、以獲得不同的阻擋層薄膜厚度，且每蒸鍍完一次，須取出基底材料並重新更換一次掩膜板；(三)在具有不同阻擋層厚度的區域上，光刻出多個器件單元相應的離子注入區；(四)去除掩膜板，一次性地以優化後的硼(B)離子注入劑量對光刻出注入區進行離子注入。本發明的有益效果(一)本發明在同一基底材料上，獲得疊加蒸鍍具有不同阻擋層厚度的系列試驗單元，一次性地以優化後的離子注入劑量對光刻出注入區進行離子注入的工藝改進，製備高性能碲鎘汞p-n結，為光伏型紅外探測器提供更方便快捷的優化阻擋層厚度工藝參數試驗研究，試驗成本低、且節省時間和精力；(二)本發明在同一基底材料上可獲得系列的、具有不同參數的光伏型紅外探測器單元，大大提高了具有不同參數的單元間的可比性，有利於對影響探測器性能的縱向結深度參數進行系統研究；(三)本發明可以在低能離子注入受到限制的離子注入機上實現淺結的製備，並同時獲得優化的阻擋層厚度參數，無須通過改變離子注入能量而進行大量反覆實驗的傳統方法；(四)本發明同樣可以推廣應用於對其它基底材料體系的離子注入阻擋層厚度的優化研究，因為阻擋層的作用不僅能夠有效控制離子注入的深度，即最終形成的p-n結深度，同時還能防止離子注入時的溝道效應和可能引起的注入損傷。附圖1為本發明的為受試驗基底材料(MCT)試樣的外形結構示意附圖2為本發明的不同寬窄縫隙掩膜板的結構示意圖；其中A、B、C、D、E、F圖分別為實施例中不同掩膜板的結構示意附圖3為本發明將附圖2中六塊A、B、C、D、E、F圖形掩膜板依次分別疊加在基底材料上的結構示意附圖4為本發明ZnS阻擋層厚度設計值與實際測量結果比較；附圖5為本發明每一試驗單元p-n結的結構示意附圖6為本發明試驗得出系列單元零偏微分電阻Ro隨阻擋層厚度變化關係示意圖。具體實施例方式現結合之圖1為受試驗基底材料(MCT)試樣，該試樣呈方形，剝離試樣基底材料表層，出露新鮮的碲鎘汞層1。為儘量減小工藝過程中對材料表面的影響，須在新鮮基底材料表面均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層2，其厚度dQ=401.3A。並將試樣劃分成縱橫均為I一VIII的方陣單元3。如圖2所示為製作的多塊鏤刻有不同寬窄隙縫掩膜板。其中A圖為掩膜板4鏤刻成的鏤空區5為橫長方形、並位於掩膜板的下部，相應於圖1中的V一VIII行方陣單元3;B圖為掩膜板4鏤刻成的鏤空區5為豎長方形、並位於掩膜板的右部，相應於圖1中的V—VIII列方陣單元3;C圖為掩膜板4鏤刻成的鏤空區5為兩個橫長方形，分別相應於圖1中的III一IV行和VII—VIII行方陣單元3;D圖為掩膜板4鏤刻成的鏤空區5為兩個豎長方形，分別相應於圖i中的m—iv列和vn—vin列方陣單元3;e圖為掩膜板4鏤刻成的鏤空區5為四個橫長方形，分別相應於圖i中的n、iv、vi、vin行方陣單元3;f圖為掩膜板4鏤刻成的鏤空區5為四個豎長方形，分別相應於圖l中的II、IV、vi、vm列。圖3所示為本發明實施的關鍵之舉，它是將上述掩膜板依次分別疊加在基底材料上，掩膜板的鏤空區分別對應基底材料的行列組合方陣單元3，而且每更換一次掩膜板，即進行一次蒸鍍ZnS阻擋層，其疊加順序是(1)圖2A與圖1疊加為圖3A，掩膜板的鏤空區出露圖1下半部分V—VHI行單元相應區域6，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層，控制蒸鍍時間，使阻擋層薄膜厚度(由晶振方法測得)山為2872A。(2)圖2B與圖1疊加為圖3B，掩膜板的鏤空區出露圖1右部V—VIII列各單元相應區域6，蒸鍍厚度d2為359.6A的ZnS阻擋層薄膜；(3)圖2C與圖1疊加為圖3C，掩膜板的鏤空區5出露圖1的III-IV行、VII—VIII行的各單元相應區域6，蒸鍍厚度d3為1441A的ZnS阻擋層薄膜；(4)圖2D與圖1疊加為圖3D,掩膜板的鏤空區5出露圖1的III—IV列、Vn—VIII列的各單元相應區域6，蒸鍍厚度d4為179.7A的阻擋層ZnS薄膜；(5)圖2E與圖1疊加為圖3E，掩膜板的鏤空區5出露圖1的II、IV、VI、VIII行的各單元相應區域6，蒸鍍厚度d5為719.6A的阻擋層ZnS薄膜；(6)圖2F與圖1疊加為圖3F，掩膜板的鏤空區5出露圖l的II、IV、VI、VIII列的各單元相應區域6，蒸鍍厚度A為88.6A的阻擋層ZnS薄膜。上述圖3的A、B、C、D、E、F圖中的疊加是在同一塊基底材料上進行，只是依次分別更換不同的掩膜板，每更換一次掩膜板則蒸鍍一次不同厚度的阻擋層ZnS薄膜。綜上，本發明實施至此，受試驗基底材料(MCT)試樣的各不同區域相應之總阻擋層厚度是各不相同的，它們除了共同均勻蒸鍍的一層401.3A的ZnS層外，還應該包括下表列出的各阻擋層分厚度之和。下表給出試樣的各不同區域阻擋層厚度值(表中各厚度值依次為d產2872A，d2=359,6A，d3=144lA，d4=179.7A，d5=719.6A及d6=88.6A):tableseeoriginaldocumentpage8由上表可見，受試驗基底材料(MCT)試樣共有64個不同阻擋層厚度的系列單元，如II行II列單元的總阻擋層厚度為401.3A+d5+d6;又如VII行VI列單元的總阻擋層厚度為401.3A+d,+d2+d3+4的總和；依此類推，可以得到所有不同器件單元處相應的阻擋層厚度值(如圖4中的設計值)。本發明的阻擋層厚度值範圍為401.3A到6061.8A區間。本發明的下面的實施步驟是(1)進行一次性硼(B)離子注入(注入能量為150keV)，注入完成後進行光刻出與原矩陣單元3相鄰的一組小孔，並將其中的ZnS阻擋層腐蝕掉、去除光刻膠後，用來測量不同位置的ZnS阻擋層實際厚度(圖4中的測量值)；(2)所有阻擋層厚度測量完成後，去除掩膜板4、阻擋層2，生長新一層ZnS作為鈍化層，再按原光刻的注入區光刻，去除相應區域的ZnS後，蒸鍍金薄膜作歐姆接觸電極，在不同單元的金薄膜上生長銦柱，獲得的系列單元的p-n結。如圖5所示，每一個單元小注入區由下而上為GaAs(211)的襯底、一定厚度的CdTe緩衝層、生長的p型碲鎘汞薄膜、金屬電極。(3)利用冷探針通過試樣的p型基底材料和每個注入區的銦柱直接進行測量，得不同阻擋層厚度單元的電壓-電流特性曲線；再採用二次函數對I-V曲線進行擬合，表現出零偏電阻值與阻擋層厚度明顯的相互響應關係(如圖6)，阻擋層厚度的增加，零偏電阻值也呈現增加的趨勢，相應的p-n結的結深減小，因而淺結效果更好。本發明可以根據製備高性能光伏型紅外探測器優化工藝參數需要，從優化確定阻擋層厚度研究著手，進而優化碲鎘汞p-n結成結工藝，最終實現了進一步提高光伏型紅外探測器的性能的目的。權利要求1、離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法，採用分子束外延技術生長的同一塊碲鎘汞薄膜材料為基底；並製作多塊鏤刻有不同寬窄隙縫的掩膜板；蒸鍍ZnS薄膜作為離子注入的阻擋層；在阻擋層上光刻出相應的離子注入區；進行離子注入；再完成後道p-n結的成結工藝，得不同單元的電壓—電流特性曲線及不同單元的零偏微分電阻值R0值，其特徵在於所述離子注入的阻擋層是通過多次疊加蒸鍍獲得的不同厚度ZnS薄膜阻擋層；離子注入的劑量為同一離子劑量、同一注入能量值。2、根據權利要求1所述的離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法，其特徵在於所述至完成離子注入的主要工藝步驟為(一)製作多塊鏤刻有不同寬窄隙縫的掩膜板；(二)將多塊掩膜板依次分別疊加在基底碲鎘汞薄膜材料上，並依次蒸鍍不同厚度的ZnS薄層，具體操作是調整不同的ZnS蒸鍍時間、以獲得不同的阻擋層薄膜厚度，且每蒸鍍完一次，須取出基底材料並重新更換一次掩膜板；(三)在具有不同阻擋層厚度的區域上，光刻出多個器件單元相應的離子注入區；(四)去除掩膜板，一次性地對光刻出注入區進行離子注入。3、根據權利要求l所述的離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法，其特徵在於所述離子注入的阻擋層是多塊掩膜板依次分別疊加在基底材料上，掩膜板的鏤空區分別對應基底材料的行列組合方陣單元3，而且每更換一次掩膜板，即進行一次蒸鍍ZnS阻擋層，其疊加順序是(1)將鏤空區為橫長方形、位於掩膜板下部的掩膜板與基底材料疊加，鏤空區則出露基底材料下半部分V—VIII行單元相應區域6，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層；(2)將鏤空區為豎長方形、並位於掩膜板右部的掩膜板與基底材料疊加，鏤空區則出露基底材料右部V—VIII列單元相應區域，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層；(3)將鏤空區為兩個橫長方形的掩膜板與基底材料疊加，鏤空區則出露基底材料的III一IV行和VII—VIII行單元相應區域，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層；(4)將鏤空區為兩個豎長方形的掩膜板與基底材料疊加，鏤空區則出露基底材料的III—IV列和VII—VIII列單元相應區域，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層；(5)將鏤空區為四個橫長方形的掩膜板與基底材料疊加，鏤空區則出露基底材料的II、IV、VI、VIII行單元相應區域，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層；(6)將鏤空區為四個豎長方形的掩膜板與基底材料疊加，鏤空區則出露基底材料的II、IV、VI、VIII列單元相應區域，然後均勻蒸鍍一層ZnS阻擋層。4、根據權利要求1或3所述的離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法，其特徵在於所述離子注入的阻擋層厚度值範圍為401.3A-6061.8A區間。5、根據權利要求1或2所述的離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法，所述一次性地對光刻出注入區進行離子注入的劑量是經優化後的同一硼(B)離子注入量。全文摘要本發明涉及離子注入製備高性能碲鎘汞p-n結的方法。該方法採用同一塊碲鎘汞薄膜為基底；製作多塊掩膜板；並蒸鍍ZnS薄膜作為離子注入的阻擋層；在阻擋層上光刻出相應的離子注入區進行注入；再完成p-n結的成結工藝。其中，離子注入的阻擋層是通過多次疊加蒸鍍獲得的不同厚度ZnS薄膜阻擋層；離子注入的劑量為優化後的同一離子劑量、同一注入能量值。本發明在同一基底材料上獲得疊加蒸鍍具有不同厚度阻擋層的系列試驗單元，一次性地以優化後的離子注入劑量對光刻出注入區進行離子注入的工藝改進，製備高性能碲鎘汞p-n結，為光伏型紅外探測器提供更方便快捷的優化工藝參數試驗研究，試驗成本低、且節省時間和精力；該方法同樣可推廣應用於對其它基底材料體系的離子注入阻擋層厚度的優化研究。文檔編號H01L21/04GK101425552SQ20081019478公開日2009年5月6日申請日期2008年10月20日優先權日2008年10月20日發明者李志鋒,王少偉,衛陸,陳效雙,陳貴賓申請人:淮陰師範學院