专利名称：一种降低碲镉汞光伏器件离子注入损伤影响的方法
技术领域：
本发明涉及红外半导体器件制造工艺技术，具体是指一种降低碲镉汞
(HgCdTe)光伏器件离子注入损伤影响的方法，它用于平面型碲镉汞光伏器 件的离子注入工艺中。
背景技术：
HgCdTe红外探测器有光导型和光伏型二类，目前以光伏型器件的应用为 主要方向。光伏型器件的核心是PN结，PN结的形成方法包括扩散和离子注 入，其中离子注入由于具有工艺简单可控性强以及常温注入等优点而得到广泛 的应用。离子注入过程是通过在P(或N)型材料表面进行选择性区域注入，使 注入区域发生反型而形成N(或P)型区，从而形成平面型N-on-P(或P-on-N)PN 结结构。高能离子注入会对材料晶格结构产生损伤，这些损伤会充当产生复合 中心，增加器件表面漏电和暗电流，降低PN结的性能。在平面型HgCdTe光 伏器件的制备中，尽管离子注入之前已经在HgCdTe表面沉积一层ZnS介质层 作为离子注入阻挡层，以此来降低注入过程对HgCdTe晶格的损伤，但是由于 HgCdTe材料属于窄禁带半导体，其Te—Hg键的结合能很小，微弱能量的注 入离子就会使晶格原子发生位移而形成损伤，增大表面的产生-复合中心密度。 因此需要在注入后对晶格进行修复，通常采用的方法是高温退火，但是由于 HgCdTe晶体的特殊性，对退火条件的要求十分苛刻，降低了退火方法应用的 适应性和重复性。氢作为元素周期表中体积最小的元素，由于具有单位电荷而 极易与其它元素相结合，因此可以被用于半导体器件的表面钝化处理以改善器 件性能。目前国内外的研究中，已经有氢离子用于碲镉荥光伏器件表面钝化的报道，但这些报道中都是将整个器件的表面置于含有氢离子的氛围中。由于氢 离子的产生通常采用电场/磁场条件下的放电过程产生，氢离子在产生后会在电场的加速下而获得一定的能量(通常是几十到几百eV)。前面提到，P型碲 镉汞极易因为损伤而转型为N型，因此获得一定能量的氢离子极易造成P型碲镉汞表面的微弱反型，这样不但不能改善器件性能，反而会增大器件表面漏 电而降低器件性能，这样在处理过程中必须严格控制氢离子的能量和处理时间 而降低了处理的重复性和可靠性。 发明内容本发明的目的是提供一种降低碲镉汞光伏器件离子注入损伤影响的方法，解决N-on-P型碲镉汞平面光伏器件制备中利用氢离子进行表面处理钝化时易 引起P型区微弱反型的技术问题。本发明一种降低碲镉汞光伏器件离子注入损伤影响的方法如附图1所示， 首先采用常规的清洗腐蚀工艺对P型碲镉汞衬底101进行处理，然后P型碲镉 汞101上表面生长一层100nm厚的ZnS 102，作为离子注入过程的阻挡层，然 后利用光刻胶103定义出离子注入区大小104，其余区域利用光刻胶103进行 保护，之后进行B+离子注入，注入B+离子在P型HgCdTe材料上形成N型反 型区105，从而形成PN结。然后利用氢离子对N型反型区105进行表面钝化 处理，钝化处理时，首先用光刻层106对器件的P区进行光刻保护，由于在离 子注入过程中只有发生反型的N型导电层受到了注入离子的损伤，因此通过光 刻胶106对P型区进行保护，只将受到离子注入影响的N型区域暴露于氢离 子中进行处理，避免P型区受到氢离子的影响，从而防止了P型区出现反型的 情况。最后光刻出电极孔，生长In/Au电极107，电极层厚度为10/300nm， 至此器件制备工艺完成。 '用光刻胶层106对器件的P区进行光刻保护时，HgCdTe表面的氢离子钝 化处理窗口区域大小直接影响器件性能。由于注入离子的横向扩散，使得实际 形成的损伤区域大于初始定义的离子注入区域大小(104)。若光刻胶保护区域 太大，由于只有很小区域暴露于氢离子处理氛围中，达不到预期的改善器件性 能的效果；若保护区域过小，则可能造成部分P型区的微弱反型而降低PN结 性能。为获得最佳的处理窗口区域大小的工艺参数，本发明通过设计变面积光 刻版对器件进行变面积氢离子处理来实现，光刻版中所暴露于氢离子氛围的区 域的大小自初始定义的离子注入区域大小(104)开始逐渐增大，每次的增加 量不宜过大，可采用光刻工艺能达到的最小尺寸，通常为l一5微米。具体实 施是在进行器件制备时预备一片陪片，离子注入后对陪片进行变面积光刻版光 刻，之后对暴露的区域进行氢离子处理；然后光刻腐蚀出电极孔进行电极生长。 当氢离子处理对器件表面发生钝化作用时，随着处理面积的增大，器件的反向 偏压电流应该逐渐降低，而当氢离子处理引起P型区的反型时，器件的反向偏 压电流会随着偏压增加而急剧增大。根据这一原理，器件制备完成后对不同氢 离子处理面积的器件进行电流一电压性能测试，观察器件在反向偏压方向电流 的变化趋势，当某一处理面积的器件出现电流随反向偏压急剧增加的现象时， 说明此时氢离子处理区域到达了 P区，据此将氢离子处理的最佳区域大小定为 比该器件稍小的前一器件的处理面积。'本发明的特点在于既利用氢离子对N型导电层的注入损伤进行了钝化，同 时由于光刻胶对P型区的保护而避免了 P型区受氢离子的轰击而发生反型，较 好地提高了器件性能。
图1是平面型HgCdTe光伏器件制备的工艺流程； -图中101为P型碲镉汞衬底；102为100nm厚的ZnS层；103为初始定义离子注入区域的光刻胶层；104为初始定义的离子注入区域大小； 105为离子注入后形成的N型反型层；106为通过变面积方法定义出的最佳氢离子处理面积的光刻胶层；107为In/Au电极；图2是确定氢离子处理区域的变面积版图； 图中201至206为面积逐渐增大的氢离子处理区域窗口 。 图3是确定氢离子处理区域的电流一电压测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明图1给出了平面型光伏器件的制备过程。对P型HgCdTe衬底101进行常 规的清洗和腐蚀过程后，表面生长一层100nm厚的ZnS102，作为离子注入过 程的阻挡层，然后利用光刻胶103定义出离子注入区大小104，其余区域利用 光刻胶103进行保护，之后进行B+离子注入，注入的能量为140KeV，注入剂 量为1014cm—2。注入B+离子在P型HgCdTe材料上形成N型反型区105，从而 形成PN结。需要指出的是，由于注入离子在水平方向的扩散，使得实际形成 的N型反型区105大于光刻所定义的注入区104;注入后去除样品表面的光刻 胶，流动去离子水清洗干净，高纯氮气吹干，然后按照所确定的离子注入影响 区域大小进行重新光刻定义出最佳处理区域大小106，将样品放入氢离子氛围中进行表面处理钝化，氢离子处理过程采用常规的条件。最后光刻出电极孔，生长In/Au电极107，电极层厚度为10/300nm，至此器件制备完成，即可进行 常规测试。图2给出本发明的变面积光刻保护方法确定处理区域大小的过程。为了降 低离子注入的损伤，需要对N区进行氢离子气氛下的处理。前面提到，由于注 入离子在水平方向的扩散，使得实际形成的N型区要大于设计值，因此必须对 离子注入影响的边界进行有效的确定。本发明中我们采用的是变面积方法，如 图2所示，201为起初定义的注入区域，自202开始，区域大小开始逐渐增大， 增加量根据采用的光刻工艺取为2微米。当处理的区域超过所形成的N区边界 到达P区时，由于氢离子对P区的轰击而造成P区的微弱反型，此时器件性能 会明显降低，这样比其稍小的区域就被确定为氢离子处理的区域。器件性能的 判断采用电流一电压曲线测试方法，如图3所示，这里给出了不同处理面积样 品201-206的反向偏压暗电流随着处理面积增大的变化。从201开始，随着样 品被处理区域的逐渐增大，器件的暗电流逐渐降低，这是因为随着被处理区域 扩大，越来越多的N型导电层的离子注入损伤被氢离子所钝化修复。然而当被 处理区域扩大到206时，器件的反向偏压暗电流突然增大，说明此时被处理区 域扩大到了 P型碲镉汞区，由于P型碲镉汞在氢离子的作用下发生微弱反型， 从而导致其反向暗电流急剧增大。因此205为最终确定的处理区域大小，即比 初始定义区域大8微米。
权利要求
1.一种降低碲镉汞光伏器件离子注入损伤影响的方法，它采用氢离子对器件进行表面钝化处理，其特征在于在进行氢离子表面钝化处理时，器件表面有一层保护P型区的光刻胶层(106)。
2. 根据权利要求1所述的一种降低碲镉汞光伏器件离子注入损伤影响的方法，其特征在于所说的光刻胶层(106)上的氢离子钝化处理区域大小的 最佳工艺参数的确定方法如下A. 在进行器件制备的同时准备一片工艺试验陪片；B. 在工艺试验陪片的P型区的光刻胶层(106)上光刻出6种不同大小的 氢离子钝化处理区域窗口(201)至(206)，其中钝化处理区域窗口 (201)大小 与离子注入区域大小(104)相同，后续窗口 (202)至窗口 (205)的尺寸逐 渐增大，其增量为l至5微米；C. 陪片上的器件制备完成后对不同氢离子处理面积的器件进行电流一电 压性能测试，从中找出最佳电性能的器件，将该器件的处理窗口大小值确定为 本工艺流程的最佳工艺参数。
全文摘要
本发明公开了一种降低碲镉汞光伏器件离子注入损伤影响的方法。该方法是对离子注入后的碲镉汞样品进行光刻定义出氢离子处理区域，然后将样品置于氢离子氛围中进行处理；氢离子处理区域大小的确定是通过变面积方法来确定，自初始定义的离子注入区域大小开始逐渐扩大氢离子处理区域，对经过不同区域氢离子处理的碲镉汞样品进行电流-电压曲线测量，通过观察反向偏压下暗电流的增大现象来确定氢离子处理区域的大小。
文档编号H01L31/18GK101226971SQ200810033428
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者辉 乔, 叶振华, 周文洪, 李向阳, 科 蒋, 嘉 贾 申请人:中国科学院上海技术物理研究所