消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器。


背景技术：

2.碲镉汞红外焦平面探测器，作为目前国内外红外探测器领域的发展主流之一，在军用红外热成像、航天和卫星红外遥感等方面有着广泛应用。随着红外焦平面探测器的发展，超大面阵的红外焦平面探测器需求也在日益增加，例如2k、4k的红外焦平面探测器。然而，阵列规模的不断加大势必导致电位偏置效应显著，即当电流流经红外焦平面的芯片材料时，由于材料电阻的影响，在电阻上产生压降。焦平面阵列中心产生的电位与边缘压降不等，使得超大面阵芯片的边缘开启电压与中心区域的开启电压存在巨大差异，导致探测器芯片在开启时出现部分像元已开启而部分像元仍未开启的现象，严重影响了碲镉汞红外焦平面探测器的性能与使用。碲镉汞红外焦平面探测器的成像性能由内部芯片决定，而超大面阵芯片的测试性能主要是由芯片制造技术决定。因此，在测试条件稳定且准确的前提下，芯片的制备工艺是芯片测试性能的决定性因素。
3.目前，碲镉汞红外焦平面探测器的制作过程均是在芯片上同时形成多个像元，并且通过位于芯片边缘的公共电极连接像元来控制整个超大面阵内的像元开启。超大面阵芯片由于其阵列规模大，其材料体电阻也会普遍偏大，这导致中间像元的读出电路到公共电极的距离很长，产生的压降也会很大。而较之边缘像元的读出电路到公共电极的距离则更短，产生的压降也更小。而所有区域电流是一样的，因此像元开启电压的差异性，即电位偏置效应会使得超大面阵芯片中的像元无法实现同步开启，影响碲镉汞红外焦平面探测器的成像性能。
4.因此，如何改善并消除超大面阵红外焦平面探测器的电位偏置效应是碲镉汞红外焦平面探测器芯片性能提升所亟待解决的问题，同时这也成为了碲镉汞红外焦平面探测器芯片制备工艺的关键技术之一。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，可以在超大面阵芯片中，消除边缘像元的开启电压与中心区域像元的开启电压之间的差异，从而使得边缘像元和中心区域像元实现同步开启。
6.为了达到上述目的，本发明提供了一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，包括：
7.碲镉汞薄膜，所述碲镉汞薄膜分为第一离子区和多个间隔的第二离子区，所述第一离子区和多个所述第二离子区分别形成多个pn结；
8.多个间隔的电极层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，所述电极层与所述第二离子区接触，并且每个所述第二离子区均与一个所述电极层接触；
9.多个钝化层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，每相邻两个所述电极层之间均设置一个钝化层；
10.读出电路，通过多个铟柱与所有所述电极层均连通；
11.导电膜，位于所有所述碲镉汞薄膜的正面；以及
12.公共电极，与所述读出电路均电连接。
13.可选的，在所述的超大面阵红外探测器中，还包括：抗反射膜，位于所述导电膜上的。
14.可选的，在所述的超大面阵红外探测器中，所述导电膜包括红外波段高透的材料。
15.可选的，在所述的超大面阵红外探测器中，所述导电膜包括ito导电膜。
16.本发明还提供了一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，包括：
17.碲镉汞薄膜，所述碲镉汞薄膜分为第一离子区和多个间隔的第二离子区，所述第一离子区和多个所述第二离子区分别形成多个pn结；
18.多个间隔的电极层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，所述电极层与所述第二离子区接触，并且每个所述第二离子区均与一个所述电极层接触；
19.多个钝化层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，每相邻两个所述电极层之间均设置一个钝化层；
20.读出电路，通过多个铟柱与所有所述电极层均连通；
21.多个导电膜，均位于所述碲镉汞薄膜的背面并且与所述第一离子区接触，多个所述导电膜组成网格状，每个所述导电膜均位于一个所述钝化层的内部；以及
22.公共电极，与所述读出电路均电连接。
23.可选的，在所述的超大面阵红外探测器中，还包括：抗反射膜，位于所述碲镉汞薄膜的正面。
24.可选的，在所述的超大面阵红外探测器中，所述导电膜包括红外波段高透的材料。
25.可选的，在所述的超大面阵红外探测器中，所述导电膜包括ito导电膜。
26.在本发明提供的消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器中，通过导电膜将所有像元结构的碲镉汞薄膜或第一离子区连在一起。可以让所有像元结构的开启电压相同。所以，在大面阵芯片中，本发明消除了边缘像元的开启电压与中心区域像元的开启电压之间的差异，从而使得边缘像元和中心区域像元实现了同步开启。
附图说明
27.图1至图3是本发明实施例一消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器的结构示意图；
28.图4和图5是本发明实施例二消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器的结构示意图；
29.图6是本发明实施例二的导电膜组成的网格状的示意图；
30.图中：110-碲镉汞薄膜、111-第一离子区、112-第二离子区、120-导电膜、130-电极层、140-钝化层、150-读出电路、160-铟柱、170-抗反射膜、210-碲镉汞薄膜、211-第一离子区、212-第二离子区、220-导电膜、230-电极层、240-钝化层、250-读出电路、260-铟柱、270-抗反射膜。
具体实施方式
31.下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
32.在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
33.实施例一
34.请参照图1至图3，本发明提供了一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，包括：碲镉汞薄膜110，碲镉汞薄膜110分为第一离子区111和多个间隔的第二离子区112，第一离子区111和多个第二离子112区分别形成多个pn结；多个间隔的电极层130，均位于碲镉汞薄膜110的背面，电极层130与第二离子区112接触，并且每个第二离子区112均与一个电极层130接触；多个钝化层140，均位于碲镉汞薄膜110的背面，每相邻两个电极层130之间均设置一个钝化层140；读出电路150，通过多个铟柱160与所有电极层130均连通；导电膜120，位于所有碲镉汞薄膜110的正面；以及公共电极，与读出电路150均电连接。还包括：抗反射膜170，位于导电膜120上。
35.优选的，导电膜120包括红外波段高透且导电的材料。导电膜120包括ito导电膜。导电膜120的厚度为0.001um～15.000um，例如，可以是20nm厚度的ito导电膜。
36.实施例一的消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器的形成方法为，首先提供一碲镉汞薄膜110，碲镉汞薄膜110形成有pn结，pn结由第一离子区111和第二离子区112组成，这里优选的，第一离子区111为n区，第二离子区112为p区。接着，在碲镉汞薄膜110的背面形成钝化层140，钝化层140可以是通过沉积氮化硅再回刻的形式形成。钝化层140露出第二离子区112的表面。接着，在碲镉汞薄膜110的背面形成电极层。电极层130与第二离子区112接触。接着，在所有芯片的碲镉汞薄膜上的正面形成导电膜120，也就是说这里的导电膜120是整片的形状，其可以将所有芯片的碲镉汞薄膜110电连接起来。可以采用生长导电膜的方式形成导电膜120，生长方式包含热蒸发、电子束溅射和磁控溅射等，接着，在导电膜120上形成抗反射膜170，抗反射膜覆盖整个导电膜120。最后在电极层130的背面形成铟柱以及提供形成有铟柱的读出电路，将电极层130的铟柱和读出电路150的铟柱连接，连接后的铟柱160将电极层130和读出电路150连通，每个电极层130均使用一个铟柱160与读出电路150连通。除了实施例一的导电膜120是整片的形状外，导电膜120还可以是网状的结构，导电膜120位于相邻的第二离子区112之间，对准钝化层140，例如图3，导电膜120上为抗反射膜170，抗反射膜并填充到导电膜120形成的网孔内。红外探测器的其余结构也与整片形状的导电膜120的红外探测器的其余结构一样，在此不做赘述。
37.经过测试后，实施例一相对于现有技术，可以明显看出，现有技术中，中心偏暗部分为像元未开启区域，四周偏亮部分为像元正常开启区域；实施例一中，整个成像区的像元都是均匀明亮的，无暗区，这说明整个成像面阵内的有效像元均处于开启状态。二者对比可知，在碲镉汞芯片背面蒸镀一层ito导电膜后，其等电位控制有效减小了芯片中边缘像元开
启电压与中心区域像元开启电压的差异，实现了同步开启，这提升了芯片的测试性能，进而也提升了探测器的成像性能。这一结果证明，ito导电膜的等电位控制对电位偏置效应有着明显的改善效果，ito导电膜蒸镀这一工艺步骤，对碲镉汞芯片性能有很好的改善，且工艺操作只需蒸镀一层ito导电膜即可，工艺步骤简单，易操作，且工艺窗口大，可进行大批量操作。
38.实施例二
39.请参照图4和图5，本发明实施例提供了一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，包括：碲镉汞薄膜210，碲镉汞薄膜210分为第一离子区211和多个间隔的第二离子区212，第一离子区211和多个第二离子区212分别形成多个pn结；多个间隔的电极层230，均位于碲镉汞薄膜210的背面，电极层230与第二离子区212接触，并且每个第二离子区212均与一个电极层230接触；多个钝化层240，均位于碲镉汞薄膜210的背面，每相邻两个电极层230之间均设置一个钝化层240；读出电路250，通过多个铟柱260与所有电极层230均连通；多个导电膜220，均位于碲镉汞薄膜210的背面并且与第一离子区211接触，多个导电膜220组成网格状，每个导电膜220均位于一个钝化层240的内部；以及公共电极，与读出电路250均电连接。还包括：抗反射膜270，位于碲镉汞薄膜210的正面。
40.优选的，导电膜220包括红外波段高透的材料。导电膜220包括ito导电膜。第一离子区211为p区，第二离子区212为n区。导电膜220为网状，如图5，图5为导电膜的横截面图。相当于网孔里露出电极层230，当然导电膜220需要和电极层230连接起来，所以导电膜220和电极层230一起也是形成了一整张网。一整张网覆盖了所有芯片的铟柱260。图5中，线宽(第二离子区之间的导电膜的宽度)为0.1um-40um，线与线之间(第二离子区之间的导电膜和第二离子区之间的导电膜)的距离为0.5um-50um。
41.实施例二的消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器的形成方法为，首先提供一碲镉汞薄膜210，碲镉汞薄膜210形成有pn结，pn结由第一离子区211和第二离子区212组成，这里优选的，第一离子区211为n区，第二离子区212为p区。接着，在碲镉汞薄膜210的背面形成导电膜220，碲镉汞薄膜210与第一离子区211接触，多个导电膜220组成网格状，如图6。导电膜220的生长方式包含热蒸发、电子束溅射和磁控溅射等。通过光刻或刻蚀工艺，形成十字形网状结构。若采用光刻工艺，则直接光刻出十字形网状结构(网格状)；若采用刻蚀工艺，则需先生长一层一定厚度的导电材料薄膜(金属薄膜或ito导电膜)，再进行光刻，通过剥离(lift-off)工艺生成十字形网状结构的导电材料薄膜。导电膜220的厚度为0.001um至15.000um，例如可以是20nm。接着，在碲镉汞薄膜210的背面形成多个钝化层240，一个钝化层240覆盖一个导电膜220钝化层240可以是通过沉积氮化硅再回刻的形式形成。钝化层240露出第二离子区212的表面。接着，在碲镉汞薄膜210的背面形成电极层230。电极层230与第二离子区212接触。接着，在所有芯片的碲镉汞薄膜上的正面形成抗反射膜270。最后在电极层230的背面形成铟柱以及提供形成有铟柱的读出电路，将电极层230的铟柱和读出电路250的铟柱连接，连接后的铟柱260将电极层230和读出电路250连通，每个电极层230均使用一个铟柱260与读出电路250连通。
42.实施例一相对于现有技术，可以明显看出，现有技术中，中心偏暗部分为像元未开启区域，四周偏亮部分为像元正常开启区域；实施例二中，整个有效成像区的像元都是均匀明亮的，无暗区，这说明整个成像面阵内的有效像元均处于开启状态。
43.针对由于碲镉汞芯片材料体电阻偏大而导致的电位偏置效应，实施例一和实施例二实现了芯片的等电位控制，减小了芯片中边缘像元开启电压与中心区域像元开启电压的差异，实现同步开启，提升芯片性能。另外，当碲镉汞芯片本身发生变化，例如种类、封装、大小和厚度等改变时，也不会影响增加的导电膜或第一导电膜对芯片性能的提升，对存在芯片材料体电阻偏大的不同种类材料的芯片结构同样适用。
44.综上，在本发明实施例提供的消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器中，通过导电膜将所有像元结构的碲镉汞薄膜或第一离子区连在一起。可以让所有像元结构的开启电压相同。所以，在大面阵芯片中，本发明消除了边缘像元的开启电压与中心区域像元的开启电压之间的差异，从而使得边缘像元和中心区域像元实现了同步开启。
45.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，其特征在于，包括：碲镉汞薄膜，所述碲镉汞薄膜分为第一离子区和多个间隔的第二离子区，所述第一离子区和多个所述第二离子区分别形成多个pn结；多个间隔的电极层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，所述电极层与所述第二离子区接触，并且每个所述第二离子区均与一个所述电极层接触；多个钝化层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，每相邻两个所述电极层之间均设置一个钝化层；读出电路，通过多个铟柱与所有所述电极层均连通；导电膜，位于所有所述碲镉汞薄膜的正面；以及公共电极，与所述读出电路均电连接。2.如权利要求1所述的超大面阵红外探测器，其特征在于，还包括：抗反射膜，位于所述导电膜上的。3.如权利要求1所述的超大面阵红外探测器，其特征在于，所述导电膜包括红外波段高透的材料。4.如权利要求1所述的超大面阵红外探测器，其特征在于，所述导电膜包括ito导电膜。5.一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，其特征在于，包括：碲镉汞薄膜，所述碲镉汞薄膜分为第一离子区和多个间隔的第二离子区，所述第一离子区和多个所述第二离子区分别形成多个pn结；多个间隔的电极层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，所述电极层与所述第二离子区接触，并且每个所述第二离子区均与一个所述电极层接触；多个钝化层，均位于所述碲镉汞薄膜的背面，每相邻两个所述电极层之间均设置一个钝化层；读出电路，通过多个铟柱与所有所述电极层均连通；多个导电膜，均位于所述碲镉汞薄膜的背面并且与所述第一离子区接触，多个所述导电膜组成网格状，每个所述导电膜均位于一个所述钝化层的内部；以及公共电极，与所述读出电路均电连接。6.如权利要求5所述的超大面阵红外探测器，其特征在于，还包括：抗反射膜，位于所述碲镉汞薄膜的正面。7.如权利要求5所述的超大面阵红外探测器，其特征在于，所述导电膜包括红外波段高透的材料。8.如权利要求5所述的超大面阵红外探测器，其特征在于，所述导电膜包括ito导电膜。

技术总结
本发明提供了一种消除电位偏置效应的超大面阵红外探测器，包括：碲镉汞薄膜，碲镉汞薄膜分为第一离子区和多个间隔的第二离子区，第一离子区和多个第二离子区分别形成多个PN结；多个间隔的电极层，均位于碲镉汞薄膜的背面，电极层与第二离子区接触，并且每个第二离子区均与一个电极层接触；多个钝化层，均位于碲镉汞薄膜的背面，每相邻两个电极层之间均设置一个钝化层；读出电路，通过多个铟柱与所有电极层均连通；导电膜，位于所有碲镉汞薄膜的正面；公共电极，与读出电路均电连接。在大面阵芯片中，本发明消除了边缘像元的开启电压与中心区域像元的开启电压之间的差异，从而使得边缘像元和中心区域像元实现了同步开启。元和中心区域像元实现了同步开启。元和中心区域像元实现了同步开启。


技术研发人员：谭必松 龚汉红 陈世锐 程佩琪 李克俊 林欢欢 毛剑宏
受保护的技术使用者：浙江珏芯微电子有限公司
技术研发日：2023.03.06
技术公布日：2023/8/9