$HgCdTe$ is the most important and widely used material for fabricating mid-wavelength infrared (MWIR) or long-wavelength infrared (LWIR) photodiodes. In this paper, for the first time, hydrogenation technique for p-to-n type conversion in $HgCdTe$ has been studied to fabricate $HgCdTe$ photovoltaic infrared detector. H2 plasma generated in an inductive coupled plasma (ICP) system was used to hydrogenate p-type $HgCdTe$ wafer. Using the ICP system, damages given to the HgCdTe wafer could be minimized. junction depth was measured by differential Hall measurement, and was able to be adjusted from 2μm to 20μm. The junctions were tested under high temperature baking process, and it was shown that the storage life of the hydrogenated junction exceeds 10 years. The annealing properties of the junctions were modeled into the 2-layer Hall model, as a result, Hg interstitlal diffusion junction formation mechanism was proposed. The mechanism is same with RIE - or ion milling type conversion process. However, the hydrogen can passivate $HgCdTe$ defects to increase infrared fransmission at the absorption edge.
BY applting the hydrogenation process to vacancy-doped wafers, LWIR diodes were fabricated. The $R_0-A$ products of these diodes are about 10 ~ 100 ohm cm^2.
1/f noise chaacteristics of hydrogenated $HgCdTe$ photodiode have been investigated. The hydrogenated diodes have better 1/f noise characteristics than typical ion implanted or plasma-induced junction diodes. It means that the hydrogenation can passivate point defects or residual impurities in $HgCdTe$. finally, the hydrogenation process was applied to fabricate 2-D IRFPAs. Both the 128x128 MWIR and 64x64 LWIR arrays were successfully fabricated.
본 논문에서는 HgCdTe반도체에서의 수소화에 의한 접합 형성 과정과 이를 응용한 적외선 감지 소자의 제작 및 성능 평가에 대해 다루었다. 수소화 공정은 플라즈마 밀도가 높으면서 기판에 손상을 가하지 않는 방법으로 제안된 유도 결합 플라즈마에 의해 시행되었다. 제작된 접합의 깊이는 유도 결합 플라즈마의 공정 변수 중 공정 시간과 플라즈마 발생을 위한 RF power에 의해 경향성 있게 제어가 가능하였으며, 측면으로의 접합 확산은 접합의 깊이와 거의 동일한 수준으로 이루어져서 접합 형성 과정이 확산 과정임을 알 수 있었다. 비록 재현성있는 결과를 얻을 수는 있엇지만 장바의 제약으로 인해 확산 과정에서의 가장 중요한 변수 중 하나인 공정 온도에 대한 접합 깊이 및 접합특성에 대한 관찰이 이루어지지 못한 점은 앞으로 수소화를 이용한 접합을 형성하는 공정을 양산화에 이르기까지 적용하는 데 있어서 꼭 짚고 나아가야 할 문제점이다.
본 논문에서는 수소와 공정의 특성을 파악하고 그 메커니즘을 알아내기위해 수소화된 기판의 표면 및 내부를 다양한 방법을 통해 분석하였다. 수소화 공정을 통해 접합을 형성한 HgCdTe의 접합 프로파일은 n$^$-n$^$-p 의 형태가 되는데, 이러한 프로파일을 가잠으로써 별도의 열처리가 필요치 않은 장점이 있다. 또한 수소화를 통한 접합 형성은 매우 빠른 속도로 이루어져서 10∼20분의 공정으로 100μm에 이르는 접합 깊이를 얻을 수 있다. 적외선 감지 소자의 제작에는 ∼5μm의 접합 깊이로 충분하므로 실제 소자 제작에 쓰이는 접합 형성 공정은 1∼2분 내외로 짧게 이루어지도록 하였다.
수소는 일반적으로 반도체 내부에 침투하더라도 완전히 안정한 상태가 되지 못하는 경향이 있어서 추가적인 열처리에 따라 효과가 사라지는 경우가 많다. HgCdTe에 수소화 공정을 적용함에 있어 이러한 문제점이 발생하는지 알아보기 위한 방편으로 수소화 후 열처리에 따른 접합의 특성 변화를 관찰하였으며, 수소화한접합의 수명은 75℃에서 보관할 경우 10년 이상의 수명을 가질 수 있어서 기존의 이온주입을 대체할 수 있는 충분한 안정성을 가진다.
수소화한 기판과 Ar플라즈마에 의해 접합이 형성된 기판은 같은 activation energy를 가지며, 이는 이미 알려진 Hg vacancy-Hg interstitial의 동시 확산에 의한 접합 형성에 있어서의 activation energy와 같다. 이러한 결과로부터 유추해 볼 때 수소화에 의한 접합 형성 메커니즘은 수소가 불순물로 작용해서라기보다는 수소화 공정 중에 발생하게 되는 Hg interstitial의 확산에 의한 것으로 보인다. 비록 접합이 형성되는 원리가 동일하지만, 수소화한 기판의 경우 일반적으로 더 높은 적외선 투과도가 더 낮은 농도를 갖는데, 이것은 수소가 확산해 들어가서 기판 내부의 결정 결함과 잔류 불순물 을 passivation해주는 효과가 있기 때문이다. 따라서, 수소화 공정은 기존의 이온 주입 혹은 이온 빔 밀링, 플라즈마 공정에 비해 추가적인 적외선 감지 소자의 성능 향상이 기대된다.
수소화 공정으로 접합을 형성하는 단위 공정뿐만 아니라, 이를 적외선 감지 소자의 제작에 접목시킴으로써 공정 단계를 간소화하고 우서한 특성을 갖는 적외선 감지 소자를 제작하였다. 잡음특성에 있어서 가장 큰 영향을 주는 RoA값은 BLIP조건을 만족하는 큰 값을 얻었으며, 1/f잡음 특성에 있어서도 이온주입한 소자보다 우수한 가능성을 확인하였다. 이는 수소에 의한 passivation효과 때문이다. 최종적으로 수소화 공정은 2차원배열 소자에 이르기까지 시험적으로 제작하였으며, 수소화 공정을 이온주입 공정 대신에 적용 할 수 있음을 보였다.
본 논문에서 제시한 바와 같이 적외선 감지 소자의 접합 형성 공정에 있어서 수소화는 기존의 Hg interstial확산과 같은 원리로 추정되며, 제작된 소자의 성능과 안정성에도 문제가 없으므로 이를 적용하는 것은 현 단계에서 충분히 가능한 것으로 생각되며, 이렇케 제시한 결과를 바탕으로 수소가 HgCdTe내부에서 하는 역할을 명확히 밝혀낼 이론적인 배경은 앞으로 연구되어야 할 과제로 생각된다.
