《word 高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《word 高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制.doc（12页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制付安英等:高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制高灵敏度室温锑化铟红外探测器研制付安英,马睿,薛三旺(国营795厂陕西咸阳712099)摘要:通过对室温工作的光导型锑化锢红外探测器的设计与工艺研究,在理论分析和工艺实验的基础上,优选制造灵敏元的材料,精心瑗计探测器的光学系统,改进制造工艺,实现对晨敏元精密腐蚀的有效控制等.研制成功的电压响应率达103v/w,黑体探测率迭10cm?Hz/?W左右,光谱响应范围28m,响应时间210S的高性能,高稳定,高可靠器件.关键词:室温;锑化锢;探测器;高灵敏度中图分类号:TN36文献标识码:B文章编号:1004373X(2007)
2、0218202ResearchofHighSensitivityInSbIRDetectorFUAnyifig,MARui,XUESanwang(TheAtateRunNo795Factory.Xianyang,712099.China)Abstract:Basedontheprincipledesignofph0t0c0nductiveInSbIRdetectorusinginambienttemperatureandtheresearchoftechnologicalProcess.consideringthetheoryandthepractice,matericalofsensitiv
3、eunit,opticalsystem,andtechnologicalprocessareoptimized.EffectivecontrolofaccuratecorrosionofthesensitiveunitiSrealized.Experimentalachievementsareasfollows:voltageresponsityreachs10v/W,detectivitycanreacharound10.cm?Hz.?W,spectralresponsityrangsfrom2tzmto8tzm.timeconstantislessthan2lO一.S.Qualifieda
4、pplianceofInSbIRdetectorisfinallymaufactured.Keywords:ambienttemperature;InSb;detectorhighsensitivity锑化铟是一种直接的窄禁带宽度的半导体,在室温下为0.17eV,表明他具有大于7m的光谱响应长波限,响应时间比碲镉汞还小一个数量级,达到10一S.同时由于探测器由InSb单晶制成,性能稳定,可在室温下工作,无需制冷.因此探测器结构简单,体积小,使用方便,在飞行员头盔瞄准,红外线气体分析,环境监测,高速列车的热轴检测,农业上的棚室二氧化碳气肥监测,汽车尾气检测及非明火的探测和故障热点检测等方面均得到
5、广泛应用.1设计与工艺根据国民经济发展的需要,信息产业部下达我厂研制高灵敏度光导锑化铟红外探测器.为此主要从以下几个方面展开研制工作.1.1灵敏元材料的优选灵敏元材料是制造探测器的基础,他的性能直接影响着探测器性质的优劣.对制备灵敏元所用锑化铟材料的优选,首先根据P.W.Kruse在”锑化铟光电导与光磁电探测器9-4文中的理论分析和研:结果可知:”InSb的禁带宽度(E)随温度而改变,因此导致探测器的峰值响应波长随温度而变,300K时为6.6/am,195K时为5.2/zm”;”室温锑化铟光电导红外探测器的最佳光谱响应率是用自由空穴浓度约为110”cm的P型材料得到的”l”P型样品收稿日期:2
6、0060629182的纯度和探测率在本征1.610”cm一.i10”cm空穴范围内变化是不大的,而在710cm空穴时达到稍低于910.cm?Hz”?W的最大值.响应率也是一样.而N型材料的探测率,响应率比同等纯度的P型材料要小得多”.同时还依据对不同载流子浓度的P型锑化铟材料制成器件的电阻率,响应率最大值的温度与浓度之间关系的实验结果可知:(1)从室温以上向下降温时,探测器的电阻指数式的上升,达到一定高度后就基本不再上升;(2)从室温以上向下降温时,探测器的探测率也是指数式的上升,而斜率要大于电阻的上升斜率.但上升到一极大点后,又随温度的下降而下降,极大点出现在电阻曲线趋于饱和之前.极大点随着
7、受主浓度的减小而向较低的温区移动.依据上述研究成果结合实践经验综合考虑,对近温室工作的光电导锑化铟红外探测器选用111面生长的掺Zn的P型锑化铟单晶制造,载流子浓度最好控制在2610cm之间.1.2优化光学设计探测器的光学系统设计是提高性能的一个重要方面,在探测器光学设计中根据不同要求,分别采用了超半球浸没技术或弯月形场镜系统,使落到探测器上的红外辐射被透镜或场镜折射聚焦成像,从而提高灵敏面上的辐射能量2007年第2期惫第241密度,亦大大缩小了探测器的工作面积.由于探测器的输出信号与入射的辐射能量密度成正比,因此使性能显着提高,浸没透镜或弯月形场镜选用电阻率为53oQ?Crtl的N型光学Ge
8、单晶,透红外性能好,折射率()达3.5.单个折射球面是有像差的.加入浸没透镜或场镜不应给光学系统带来额外的像差.根据像差理论可以证明,单个折射球面在某些共轭点是没有像差的,对任意宽度的像能完成完善像,这些点叫齐明点.而高度等于曲率半径r的标准半球透镜的高度等于(1+1/n)r的标准超半球满足共轭条件,不会引起额外像差.为了提高光学增益,采用标准超半球浸没透镜结构.同样,在采用弯月形场镜系统时,场镜的设计亦要考虑像差的问题,首先应满足球差最小.红外辐射由空气(一1)垂直入射的情况下,反射率R一(一/+),对Ge和InSb而言,4,一次反射损失高达3o以上.为了减小反射损失,必须在其表面镀一层增透
9、膜.单层增透膜的膜层光学厚度应为1/4波长.增透膜的折射率应尽可能为基材(Ge,si或InSe)和入射媒质(空气)折射率相乘积的平方根,即2或1.87.根据该探测器光谱响应波段在8m以内,没有选用通常的ZnS增透膜材料,而是选取折射率约为l_9,膜层非常坚固且不吸潮,透射波长达8m的siO作膜料,他对产品性能不会产生任何不良影响.在工艺上采用离子辅助镀新技术,确保膜层与Ge,si,InSe表面的牢固性.可根据使用的需要,适当选择增透波长,提高响应.如气体分析可使分析波长附近增透.而火车热轴检测或明火探测则宜镀多层宽带增透膜,以便通过提高积分响应率的目的.室温下的锑化铟的电阻率低,为了提高探测器
10、电阻,从前往往将灵敏元做成狭长的元件,这样的结果造成目标辐射能量难以合理利用根据探测器对阻值没有严格的要求,而且阻值的大小和材料载流子浓度关系很大,完全可以通过选取材料和减薄灵敏元的厚度来调节阻值;在通光孔径中8mm的情况下将其工作面设计成0.50.5的正方形,这样既可以达到视场对称,又可以充分利用目标的辐射能量.除此之外,还根据火车热轴检测的特点,研制了工作面积(O.250.25)mm的探测器件.工作面积近一步缩小,只是视场缩小了,这对固定点光源检测来说十分有利,可使性能进一步得到提高.1.3改进制造工艺灵敏元件是探测器的核心,由于InSb晶片表面状态及厚度对其性能影响很大,而且室温光导元件
11、的厚度要求减薄到510m,因此,腐蚀工艺十分关键.在InSb器件的制备工艺中,为了消除晶片的机械损伤,降低噪音,通常都要对研磨好的InSb晶片进行化学抛光,常用的腐蚀液为CP4一A,俯视速度快,最佳腐蚀液选用CP4一B,俯视速度虽然比CP4一A慢一些,但还是较快,受室温影响大.工艺实践中发现,难以控制最佳腐蚀量.经过大量工艺筛选,采用一种乳酸腐蚀液,对InSb进行微减薄腐蚀,其In/Sb原子腐蚀比例接近于1,腐蚀速度缓慢,室温影响小,实现了对灵敏元进行精密腐蚀,达到最佳效果.从而避免了以往腐蚀不到位或过腐蚀现象.另外,为了防止腐蚀过程中腐蚀液对焊点的潜腐造成探测器的噪声增大,在腐蚀前的焊点上涂
12、覆一层抗腐蚀的保护胶,提高了探测器噪声合格率.在产品结构设计方面的环氧树脂密封,玻璃绝缘子引出,可靠的内部结构确保能承受各种机械作用和各项环境测试.2研制结果研制成功的高灵敏度光导锑化铟红外探测器(A型,B型,C型)电压响应事分别大于200和600V/w,最高分别达到1000和3000V/w,D(500.800.1)商于1.5和310.cm?Hz”W,最高达到7.5和15i0cm?Hz?w;时间常数经中国计量科学院用3.39m的氖气激光扫频测量,响应下降3db,最低为8MHz,高达13MHz,即时间常数在0.0120.02s之间,远小于0.1s光谱响应经华北光电技术研究所测试,光谱响应&
13、;波限可达7.3m,在8m处的响应可达峰值波长响啦的1O以上.详见表1.该产品与其他类型探测器相比,具有灵敏度高,可探测波段宽,响应速度快,使用可不必制冷,设计合理,结构可靠,性能稳定,使用方便等优点.因此得到铁道科学研究院,北京分析仪器厂,北京电脑技术应用研究所等用户的高度评价和认可.通过试验,产品性能指标全面达到并优于合同任务中的要求,获得了良好的社会效益和经济效益.裹1三种型号的各项指标对比(下转第191页)1832007年罨2朝总第241其中,?指负载电容.将LtLL,R一RR,C一C一分别代入上式,并使dt/dL一o,即可得到优化的L长度L=L/2+Ci/(2K)(g/c)一(gl/
14、c,)+1l(2KC)(GC2),从第二项可以看出门的驱动能力越弱(逻辑强度g越高),则该门驱动的导线长度应越短.第三项一般数值较小,仅在C一C2的电容差值与1mm长导线可比时才考虑.由此可以看出两个门的g/c比值影响着L的值.在实际应用中常需要等间距分配,这可以通过调节两个门的尺寸其使g/c值相同.而对于N个门的情况可由上面类比推出:L_opt:L/N”4-Ec,/(NK)(gj/cj)一(N一1)(/c)+Ell(NKC)c,一(N1)C斗下面通过两个例子来说明考虑了互联线电阻的逻辑强度在电路优化中所带来的好处.在进行计算之前,先获得相应的工艺参数有:P(最小尺寸反向器的寄生延时)一3.8
15、,Ci(最小尺寸反向器的输入电容)一3.0,r一0.05ns,K一0.1,K一10.在两个例子中一些必要的逻辑门沿着一条长为30mm的路径传送.例1分别为2输入与非门(输入电容为3),2输入或非f-1(输入电容为5),反相器(输入电容为1),2输入异或门(输入电容为4);例2分别为2输入异或f-1(输入电容为8),2输入异或f-1(输入电容为8),2输入异或门(输入电容为8),2输入与非门(输入电容为3);通过Spice仿真得到的结果如表3.表3两个例子的延时比较从仿真结果中可以看到例1得到的优化比例2要多,这是由于例1中采用的逻辑门都为不相同的,而例2中的逻辑门大部分是一样的.由此可知考虑互
16、联线电阻的LogicEffort理论对于采用不相同逻辑门的复杂电路更为有效.5结论与展望在集成电路设计的过程中,时序收敛一直是关系到设计成败的关键.在传统Ic设计流程中,通常是在电路设计完成之后,用后版图验证工具提取电阻,电容等参数来验证电路设计是否满足设计要求,一旦出现问题,电路,版图设计必须修改,因此设计收敛较慢.不能满足日益缩短的上市时间的要求.随着集成电路设计对性能要求的日益提高,人们普遍认识到:要想在最终的版图阶段达到时序收敛的要求,需要在早期的综合阶段考虑后端的物理设计信息.因此,在现有EDA工具中,有许多在综合阶段进行预布局布线,以便进行电路延迟的评估.然而因为在电路综合阶段的延
17、迟评估主要还是基于负载模型的理论,他需要精确的寄生参数信息,而此阶段并没有生成最终的版图,因此基于此方法得到的结果可能与实际情况不符.而LogicalEffort理论完全不依赖于寄生参数信息,使得在电路设计的早期对延迟的可信评估成为可能.LogicalEffort的模型虽然非常简单有利于手工计算,但他的精度受限.近来很多关于LogicalEffort的改进模型不断提出,相信LogicalEffort将会成为优化电路结构的简洁而又有效的工具.参考文献1SutherlandB.Sproull,HarriesD.LogicalEffort:DesignFastCMOSCircuits.SanFran
18、cisco,CA:MorganKaufmann,1999.E2-1JanMRabaey,AnanthaChandrakasan,andBorivojeNikolic,DigitalIntegratedCircuits:ADesignPerspective.北京:电子工业出版社,2004.E33JohnP.Uyemura,IntroductiontoVISICircuitsandSystems.北京:电子工业出版社,2004.(上接第183页)参考文献Elq美R.K.威拉德森,A.C.比尔.InfraredDetectors-M1.AcademiePress,1970.,E23英H.A.Mac.
19、ThinGilmOpticalFiltersM.LeodLondon:AdamHilgerLtd,1969.3张幼文.红外光学工程M.上海:上海科学技术出版社,1981.作者简介付安英男,1957年出生,陕西礼泉县人,1982年毕业于西北大学物理系半导体专业,高级工程师,国营795厂科技质量部部长.主要从事红外和光电子嚣件研制工作.马睿男,1962年出生,陕西武功县人,硕士研究生,高级工程师,国营795厂副厂长.主要从事红外和光电子器件,敏感元器件研制厦科技管理工作.薛三旺男,1939年出生,山西万荣县人,大学文化,高级工程师,国营795厂副总5-程师,中国电子学会高级会员,光电子学会委员.主要从事红外和光电子器件研制厦科技管理.T-作.】9】
