锑化铟晶片高温加速贮存性能变化研究.pdf
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1、第 卷,第期红外 :(),文章编号:()锑化铟晶片高温加速贮存性能变化研究吴玮董晨赵超董涛折伟林黄婷彭志强李乾(华北光电技术研究所,北京 )摘要:锑化铟晶片在存放以及使用过程中的性能稳定性是影响制备的探测器性能的重要因素之一。为了探究锑化铟晶片在长时间放置情况下的性能变化情况,对锑化铟晶片进行高温加速贮存试验,并在试验过程中对晶片几何参数、表面粗糙度、电学参数、位错缺陷等几个重要性能参数进行跟踪检测。结果表明,在高温加速试验条件下,除晶片外形发生轻微变化以外,其他性能基本不发生变化,晶片能够长期保存。关键词:锑化铟;红外探测器;高温加速贮存试验;几何参数;位错缺陷中图分类号:文献标志码:犇 犗
2、 犐:收稿日期:作者简介:吴玮(),女,北京人,工程师,主要从事红外及激光材料与器件质量可靠性方面的研究。:犎 犻 犵 犺 犜 犲 犿 狆 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲犃 犮 犮 犲 犾 犲 狉 犪 狋 犲 犱犛 狋 狅 狉 犪 犵 犲犘 犲 狉 犳 狅 狉 犿 犪 狀 犮 犲 狅 犳犐 狀 犱 犻 狌 犿犃 狀 狋 犻 犿 狅 狀 犻 犱 犲犠 犪 犳 犲 狉 狊 ,(犖 狅 狉 狋 犺犆 犺 犻 狀 犪犚 犲 狊 犲 犪 狉 犮 犺犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犈 犾 犲 犮 狋 狉 狅 犗 狆 狋 犻 犮 狊,犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊 狋 狉
3、 犪 犮 狋:,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;红外 年月 (),:引言锑化铟()中波红外探测器具有非常突出的技术优势,常被用于导弹制导、光电侦察、天文航天等领域。该类型探测器由单多元发展至 、等较小规模探测器直至近些年的 超大规模探测器。锑化铟探测器是在锑化铟晶片上制备而成。采用直拉法生长出单晶体,然后经过切割、割圆倒角、研磨、抛光、清洗等工艺,最后完成锑化铟晶片材料的制备。在晶体生长、晶片加工工艺中可能会引入热应力、缺陷、损伤等。器件用锑化铟晶片必须具有高的材料质量,比如位错密度低、电学参数均匀、几何表面质量高等。焦平面探测器的盲元与材料的位错缺陷息息相关。总厚度变化(,)、翘曲度等几何参
4、数会直接影响探测器制备中极其重要的几个工艺(光刻、倒装焊、台面腐蚀等)的质量,从而影响到探测器的性能。表面粗糙度过高会导致器件漏电流增加 。一般来说,锑化铟晶片在加工完成后可能会存放一段时间才用于制备探测器,所以其长期存放的性能稳定性是影响后续制备器件性能的关键。此外,锑化铟红外探测器在长期使用后可能会新增盲元,大大降低了探测器的性能。基于长期统计结果,大多数的锑化铟焦平面器件盲元是由以下四种情况导致的:()探测器芯片与读出电路之间断连;()探测器芯片与读出电路之间不良的互连,增加了连接阻抗;()材料缺陷或其他原因损坏了 结,导致像元阻抗下降、无响应信号;()钝化缺陷降 低 了 探 测 器 阻
5、 抗,但 是 没 有 损 坏 结。材料在长期存放或使用过程中可能会释放应力、新增位错以及改变电学参数等,从而使得探测器性能下降。国际上常用自然贮存试验法和加速寿命试验评估法对电子产品的贮存寿命进行试验。利用自然贮存环境试验法得到的数据较为准确、真实,但不足之处在于试验过程耗时较长,导致试验需要消耗大量的人力物力,实际操作起来难度大。加速寿命试验评估法一般通过施加较高的试验应力来加速产品失效速率、缩短试验时间,然后通过统计分析试验所得数据来进行寿命评估。该方法已成为电子产品寿命研究常用的工程应用方法。近些年,针对红外探测器可靠性的研究很多。等人分别对红外探测器的热应力加速试验,焦平面探测器加速老
6、化试验的时间、温度与盲元率的关系,电极材料和设计对探测器可靠性影响等方面进行了研究,。法国 公司(原 公司)等分别对探测器组件杜瓦及封装等结构可靠性进行了研究 。但是对制备探测器所用材料可靠性的研究极少,特别是对长时间放置或者高温加速试验过程中材料性能变化的研究极少。本文通过对锑化铟晶片进行高温加速试验来测量不同时间点的几何参数、表面粗糙度、位错密度和电学参数,从而获得锑化铟晶片在高温加速贮存下性能的变化。试验 试验过程对材料的低温烘烤其实相当于常温环境下的加速试验过程。根据阿伦尼斯模型,高温加速试验等效时间为 犃犜 (犈犃犽)(犜犘 狉 狌 犳 犜犉 犲 犾 犱 )()式中,犃犜为某个温度点
7、下的加速因子;犈犃为失效反应活化能(这里分别给出文献中提到的锑化铟材料活化能 以及锑化铟红外探测器常用的 活化能);犽为玻尔兹曼常数,犽 ;犜犘 狉 狌 犳为第 卷,第期红外 :(),表加速试验等效时间计算结果样品种类试验温度 活化能 加速因子时间 天常温等价时间 天锑化铟材料 锑化铟探测器 表各样品试验参数表样品编号 处理条件晶片 储存 柜 中,保持 温度和 湿度环境放置 天用 烘箱烘烤 天用 烘箱烘烤 天测试时间第、天第、天第、天测试内容表面平整度表面平整度、电学参数抽取片进行位错密度检测加速试验的环境温度;犜犉 犻 犲 犾 犱为常温 。通过该模型可以设计高温加速试验来模拟材料长时间自然时
8、效下的残余应力去除情况。一般来说,探测器的低温烘烤加速试验选定温度为 。本文选用 作为低温烘烤可靠性试验温度。表列 出 了 锑 化 铟 材 料 以 及 探 测 器 在 下的加速试验等效时间计算结果。从表中可以看出,锑化铟晶片在 下烘烤 天相当于在 常温下存放 两 年 多,探 测 器 在 下存放 天相当于在 常温下存放年多。为模拟两年以上的晶片常温存放时间,本文试验设定低温烘烤时间为 天。选取片锑化铟 晶向晶片并将其单面抛光加工至 ,然后进行清洗。按照表列出的各样品试验参数进行试验及测试。性能测试与表征采用光学轮廓仪进行晶片表面平整度以及表面粗糙度的测试。光学轮廓仪的测试波长为 ,表面平整度测量
9、范围为全片,表面粗糙度测试范围为 。表面粗糙度测量点位置如图所示,均取犚犪值作为表面粗糙度测试值。采用霍尔测试系统对晶片的载流子浓度、迁移率进行测量。测量温度为,磁场强度为 ,样品电流为。采用 腐图晶片检测点位置示意图蚀液对样品进行腐蚀,然后使用奥林巴斯公司的表面缺陷显微镜进行晶片表面位错腐蚀坑扫描(放大倍数为 )。结果与讨论 几何参数变化图为晶片在第、天的面型变化图。可以看出,在常温常湿条件下放置的 晶片的表面平整度未发生明显变化,但是另外片在 下烘烤的晶片均出现中间略微凸起的现象,且随着时间的延长趋于严重。图所示为晶片在第、天的表面平整度变化曲线。其中,样品的表面平整度基本无变化,、样品有
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