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碲镉汞是制备高性能红外探测器最重要的半导体材料之一。用其制备的红外探测器在遥感应用卫星中处于极其重要的地位,相当于卫星的红外“眼睛”。它的性能和可靠性直接影响着卫星的探测能力和可靠性,因此开展碲镉汞红外探测器的可靠性研究不仅在学术上具有重大的意义,也具有重大的工程应用价值。本论文从芯片键合工艺、侧面钝化、长波光导芯片的低温及室温大电流加速应力、短波光伏芯片的温度加速应力等方面对星载碲镉汞红外探测器芯片进行了较为系统的可靠性研究。
碲镉汞探测器的芯片键合工艺可靠性对芯片的可靠性具有举足轻重的影响。目前常用的三种键合工艺为:金丝球焊、楔焊和铟焊,我们研究了这三种工艺的温度可靠性。实验表明金丝球焊和楔焊工艺两者的温度可靠性都比较好,稳定性差别不大。由于In和Au容易发生反应生成金属间化合物,因此铟焊的温度稳定性比较差。当热浸温度高于80℃时探测器芯片的噪声有较大的增长幅度。In和Au形成的化合物主要成为是AuIn2,它对探测器的性能和可靠性具有很大的潜在威胁。即使在常温贮存条件下铟焊工艺的芯片的In、Au合金化也不能忽视,并且由于AuIn2化合物是一种良导体,电阻测试一般不易发现。
提高芯片的热浸温度有助于缩短星载红外探测器的排气时间,提高探测器的可靠性。探测器芯片的热浸能力是限制组件最高热浸温度的主要因素,大而积光敏面的芯片的热浸主要受表面钝化膜的热稳定性的制约。由于小面积的探测器芯片的侧面相对比例较高,侧面不仅影响探测器的性能,还会进一步降低芯片的热浸能力。因此针对小面积的探测器芯片有侧面钝化的工艺。但采用这种工艺的探测器芯片性能和热浸能力并不理想,论文的第三章对此进行了初步分析研究。研究表明刻蚀工艺中引入的损伤及氧化液在侧面的流动性差是导致侧而钝化不完整或不能钝化的主要因素。分析表明电极金层的腐蚀可能与用于键合点加固的胶有关。
论文的其它部分主要是探索性研究了碲镉汞红外探测器芯片的加速实验。对低温工作的长波光导芯片和室温工作的短波光伏芯片分别施加不同的加速应力进行了加速,对其中出现的失效样品进行了分析。
光导探测器芯片一般工作在恒定电流的偏置下,据此我们给实验的光导芯片施加了一个比较大的电流应力。加载大电流的芯片有两种温度条件,一批芯片是在液氮制冷的条件下分三组分别加载42mA、56mA和80mA的电流,还有一批在室温条件分两组分别加载30mA和42mA的电流。低温应力条件下探测器的主要失效模式是芯片噪声增大、芯片信号降低。噪声增大、信号降低一般是由于探测器芯片光敏面钝化层质量变差导致的。室温下的主要失效模式是噪声增大,同样与芯片的表面有很大关系。与低温下不同的是室温加速出现了信号的缓慢衰退。对比得到在室温下进行加速操作方便,并且不会因为真空度的温度对结果产生较大影响。
光伏探测器芯片工作时一般不需要加偏置,因此对室温工作的光伏芯片进行了变温烘烤实验,起始烘烤温度为60℃,最高为120℃。研究表明120℃以内的烘烤对芯片的响应率没有明显的影响,截止波长和峰值波长也没有变化。I-V曲线则比较明显的反映了芯片性能在不同温度和时间烘烤后的变化。烘烤温度低于85℃时反偏电流的变化不是很明显,但当烘烤温度达到90℃以上时芯片的反偏电流明显增大。理论分析表明此时势垒区缺陷数目开始明显增多,从而降低器件的载流子寿命;同时器件的表面缺陷也有明显的增多,表面缺陷的增多引起表面复合速度增加。