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碲鎘汞雙色材料技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

2013-08-18 06:24:48達,王
激光與紅外 2013年8期
關(guān)鍵詞:雙色襯底探測器

高 達,王 叢

(華北光電技術(shù)研究所,北京100015)

1 引言

從20世紀90年代初首次報道HgCdTe紅外雙色探測器以來,雙色探測器一直是紅外焦平面領(lǐng)域的一個研究熱點,并且在紅外探測器系統(tǒng)中實現(xiàn)了應(yīng)用。雙色探測器系統(tǒng)提供兩個波段信息,可以抑制目標復雜背景。根據(jù)雙波段信號,能夠提取目標的熱力學溫度,因此在目標辨認,信號識別及抗干擾方面性能優(yōu)于單色探測器。在地球物理、衛(wèi)星遙感、軍事預警跟蹤方面有重要的應(yīng)用價值。

雙色探測器的材料主要有HgCdTe和量子阱(QWIPs)兩種,兩種材料各有優(yōu)點。量子阱技術(shù)基于成熟的A3B5材料生長技術(shù),由于這種技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用較廣,擁有很好的技術(shù)基礎(chǔ)。因此QWIPs具有很高的產(chǎn)額,生長過程有很好的操作性,有利于降低成本和保證產(chǎn)品的一致性。HgCdTe紅外探測器由Lawson等人于1959年首次報道,其禁帶寬度隨組分連續(xù)變化(-0.14~1.56 eV),可以包含整個紅外波段,這對于制備雙色探測器件至關(guān)重要。HgCdTe還具有本征載流子濃度低(ni~1014cm-3),電子有效質(zhì)量小(me*~0.007 m0),電子遷移率高(μe~105cm2/V·s),載流子壽命長(τ~10-6s),吸收系數(shù)大(~103cm-1)等特點,因此相對QWIPs具有更高的量子效率,更高的工作溫度和更高的工作性能。在五十多年的研究中,HgCdTe技術(shù)已經(jīng)積累了豐厚的技術(shù)成果,基本上滿足雙色紅外探測器對材料的要求。

從1993年 SantaBarbaraResearchCenter(SBRC)第一次使用液相外延(LPE)技術(shù),制備HgCdTe雙色器件以來[1],HgCdTe雙色材料技術(shù)在近20年的研究中已經(jīng)越來越成熟,制備出了高性能的雙色器件用于各種軍用或民用系統(tǒng)中。這其中,發(fā)達國家在HgCdTe雙色器件方面的研究路線值得學習和借鑒,這也是本文寫作的初衷,希望能在回顧國外研究機構(gòu)在HgCdTe雙色材料方面的技術(shù)路線中得到啟發(fā)。

2 國外主要研究機構(gòu)HgCdTe雙色材料技術(shù)發(fā)展

2.1 簡介

HgCdTe雙色材料出現(xiàn)在20世紀90年代初,由于當時分子束外延(MBE)技術(shù)路線還不成熟,制備HgCdTe雙色材料使用的是LPE技術(shù)。如SBRC在1993年使用LPE技術(shù)制備的64×64,61 μm雙色HgCdTe器件,以及隨后1994年制備的128 ×128,50μm 雙色 HgCdTe器件[1]。但是由于LPE不能生長相近波段的HgCdTe材料,SBRC中止了LPE生產(chǎn)雙色探測器的工作。但是LPE作為比較成熟的HgCdTe生長技術(shù),沒有被排除在雙色材料的生長技術(shù)之外,這部分我們將在下面繼續(xù)講 到。1995 年,HughesResearch Laboratories(HRL)最早使用MBE技術(shù)生長出了HgCdTe雙色材料[2]。相比而言,MBE技術(shù)在發(fā)展 HgCdTe雙色材料方面更有優(yōu)勢:①可以精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分,形成陡峭的異質(zhì)結(jié)構(gòu)等,這符合雙色探測器對于多層結(jié)構(gòu)材料的需求;②外延生長的溫度低,因此降低了界面熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對外延層的自摻雜擴散影響,這在一定程度上提高了材料性能;③MBE是一個超高真空的物理沉積過程,可以對生長和中斷進行瞬時控制。因此,膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。這對于雙色材料不同組分吸收層的生長至關(guān)重要。發(fā)展到現(xiàn)在,HgCdTe雙色技術(shù)已經(jīng)有了長足的進步,Raytheon公司已經(jīng)可以生長出8cm×8cm CdZnTe襯底和6in Si襯底高性能HgCdTe 雙色材料[3]。

2.2 美國Raytheon公司

Raytheon在HgCdTe雙色材料的研究可以追溯到SBRC和HRL,在先后合并了以上兩家研究機構(gòu)后,Raytheon繼承了兩家研究機構(gòu)在雙色HgCdTe材料方面的技術(shù)。Raytheon的HgCdTe雙色器件始于SBRC使用LPE生長技術(shù)制備的雙色HgCdTe材料。隨著MBE技術(shù)的成熟,逐漸取代LPE成為制備雙色HgCdTe材料的主要手段。1995年開始HRL用MBE技術(shù)陸續(xù)生長出HgCdTe雙色材料,并在之后的時間里一直提高性能、降低成本,發(fā)展大面積、高性能的HgCdTe雙色材料。

Raytheon公司制備HgCdTe雙色材料采用的是VG-Semicon系列的MBE系統(tǒng),最大尺寸為10英寸,使用光學橢偏儀嚴格控制組分和厚度,從襯底處理到薄膜生長各個步驟精益求精,力求達到材料的極限性能。Raytheon公司HgCdTe雙色材料為n-p-n結(jié)構(gòu),生長在CdZnTe或Si襯底上,如圖1所示。這個結(jié)構(gòu)中,較長的波段處在整個結(jié)構(gòu)的上方。整個結(jié)構(gòu)可以在MBE生長條件下一次生長完成,并且在MBE生長過程中進行N型和P型摻雜。其中N型和P型摻雜劑分別為In和As。N型吸收層可以是從短波到甚長波的任何一種波長。N型摻雜濃度為1~3×1015cm-3。P型摻雜因為As在生長過程中低的粘附系數(shù)和容易落到Hg空位中兩個原因,一直是HgCdTe技術(shù)的一個難點。Raytheon公司在HgCdTe P型摻雜的過程中,CdTe源和Te源處于周期性的打開狀態(tài),而As源一直處于打開狀態(tài),束流為1015atm-2s-1,Hg源也一直打開,從而加強Hg-As之間的鍵合。生長完成之后在250℃下退火,As摻雜濃度穩(wěn)定在1017cm-3。[2]

圖1 Raytheon公司n-p-n結(jié)構(gòu)示意圖

從表1中可以看出,Raytheon公司在將HgCdTe雙色材料發(fā)展到一定程度之后沒有一味追求制作大面陣的器件,而是從提高材料性能、節(jié)約成本出發(fā),降低材料缺陷,發(fā)展Si基襯底。

2.3 DRS

DRS技術(shù)公司的HgCdTe雙色器件可追溯到德克薩斯儀器公司紅外防御集團。主要依靠LPE技術(shù)生長 HgCdTe材料,并依靠 HDVIP結(jié)構(gòu)發(fā)展HgCdTe雙色器件。DRS的HgCdTe雙色器件的性能與HDVIP結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。這里,先簡單描述一下HDVIP結(jié)構(gòu)。

表1 Raytheon公司 HgCdTe雙色材料性能表[2-9]

單色HDVIP器件是將鈍化的HgCdTe薄膜用環(huán)氧樹脂膠合于Si讀出電路上,在HgCdTe薄膜刻蝕通道的過程中把一部分P型HgCdTe轉(zhuǎn)變成N型HgCdTe,同時形成PN結(jié)。然后將金屬沉積在通道中形成N型區(qū)與讀出電路上的焊點互聯(lián)。簡單來說,HgCdTe雙色器件就是兩個單色HDVIP結(jié)構(gòu)的疊加,如圖2所示。單色HDVIP和雙色主要有兩個不同:①每層HgCdTe上多刻蝕出一個通道,并且為了互聯(lián)與上一層HgCdTe之間的絕緣,兩層之間需要沉積ZnS;②ZnS抗反膜沉積在結(jié)構(gòu)的最上層,另外一片HgCdTe薄膜用環(huán)氧樹脂膠合在第一個薄膜的上面。其中一個通道在上層的HgCdTe薄膜中刻蝕出來,同時在P型HgCdTe上產(chǎn)生N型區(qū)域。一個通道一直向下刻蝕到底層絕緣通道的金屬層中。這是為了上一層的HgCdTe能夠互聯(lián)到讀出電路當中。另一個通道沒有實際作用,只是為了保證上下HgCdTe薄膜的一致性。隨后金屬沉積在上層薄膜的N型區(qū)和讀出電路中形成互聯(lián)。最后在整個器件表面鍍上一層抗反膜,也就完成了整個器件的制作[10]。

圖2 雙色HDVIP結(jié)構(gòu)示意圖[10]

由于DRS的器件所用的材料是由LPE生長得到,HgCdTe材料的最優(yōu)性能取決于CdZnTe襯底的質(zhì)量。CdZnTe襯底的位錯密度一般為104~105cm-2,HgCdTe 薄膜的位錯密度在 105cm-2。滿足長波材料在77K工作溫度對于位錯密度小于5×105cm-2的要求。

DRS公司沒有和大部分研究機構(gòu)一樣,用MBE技術(shù)生長HgCdTe材料,而是使用LPE技術(shù),依靠HDVIP結(jié)構(gòu)制作雙色器件。對于雙色HgCdTe探測器,材料性能和器件結(jié)構(gòu)同樣重要,缺一不可。目前,DRS公司聲稱其可以依靠HDVIP結(jié)構(gòu)制作三色乃至四色器件。

2.4 Sofradir

就雙色 HgCdTe而言,法國的主要參與者是CEA-Leti和Sofradir。兩個機構(gòu)是合作關(guān)系,CEALeti定期將研究成果移交給Sofradir公司。

CEA-Leti在1998年制成第一批n-p-n結(jié)構(gòu)中波紅外雙色二極管[11],之后以n-p-p-n結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建HgCdTe雙色紅外焦平面器件[12]。如圖3(a)所示,它可以理解為將兩個n on p二極管背靠背連接,P型層中間以勢壘層隔開。通過調(diào)節(jié)正反偏壓,兩個n on p二極管順序的讀出,這樣也就可以讀出一個或者兩個波段的信號。第一層是In摻雜濃度為1017cm-3的N型層,之后為三層組分不相同的非摻雜P型層。Band 3為組分較大的勢壘層,其他兩層為吸收層。在Band4表面注入In形成另外一個PN 結(jié)[13]。

2005年,CEA-Leti為雙色探測器開發(fā)出準平面工藝[14],如圖3(b)中所示。這種新技術(shù)較為簡單,因為器件結(jié)構(gòu)由用MBE生長的簡單非摻雜三層結(jié)構(gòu)組成,n-p-p-n材料結(jié)構(gòu)相比少了一層N型層,其他生長過程基本相似,減少了生長過程中的步驟,提高了材料性能。在兩個探測器中采用標準平面離子注入工藝制作二極管。

圖 3 Sofradir雙色 HgCdTe 材料結(jié)構(gòu)剖面圖[12,15-17]

注:*Sofradir于2004年開始使用Ge基制備HgCdTe雙色材料,數(shù)據(jù)常與CdZnTe一起報道,沒有詳細數(shù)據(jù),但可以推測,Ge基HgCdTe雙色材料性能略低于CdZnTe基。

Sofradir公司制備HgCdTe雙色材料采用的是Riber系列MBE制備系統(tǒng)。Sofradir公司生長雙色HgCdTe材料主要解決如何控制不同組分的生長,組分的變化會導致材料缺陷密度的增加(大部分由Te沉積導致)。通過嚴格控制生長不同組分HgCdTe的襯底溫度的方法來解決這個問題,并且得到了不錯的效果。解決了組分變化的問題之后,Sofradir公司開始尋求更大面積和更降低成本的復合襯底,在這個過程上,是與美國Raytheon公司相似的,不過Sofradir公司使用的是他們更加熟悉的Ge作為復合襯底。

2.5 SELEX

英國作為HgCdTe材料的發(fā)源地,在HgCdTe技術(shù)方面有著深厚的理論基礎(chǔ)。Selex公司繼承了英國在HgCdTe方面技術(shù)理論,并于2006年研發(fā)出雙色和三色HgCdTe紅外探測器件[18]。與主流雙色HgCdTe材料生長方式不同,Selex公司選擇在(100)GaAs襯底上使用MOVPE的方式生長HgCdTe。與MBE生長方式相比,MOVPE具有更高的生長速率,因此更加提高生產(chǎn)效率和節(jié)省成本。Selex公司MOVPE工藝生長溫度較高,在350℃以上,與Si基HgCdTe相似,先在300℃溫度下在GaAs襯底上生長一層CdTe緩沖層,然后再生長HgCdTe[19]。與Raytheon公司技術(shù)路線相似,Selex選擇n-p-n結(jié)構(gòu)制作HgCdTe雙色器件。不同于Raytheon的In、As雙摻雜,Selex用 I、As雙摻雜,摻雜濃度均為 1017cm-3。如圖4所示。

圖4 SELEX HgCdTe雙色器件結(jié)構(gòu)示意圖

表3列舉了Selex雙色HgCdTe探測器的主要性能參數(shù)。可以看出,Selex公司MOVPE生長的HgCdTe雙色探測器在性能上已經(jīng)不低于MBE生長的HgCdTe雙色探測器的性能。

表3 SELEX HgCdTe雙色探測器[19]

3 結(jié)論

通過總結(jié)國外研究機構(gòu)在HgCdTe雙色材料方面的成就,不難看出,每個研究機構(gòu)的HgCdTe雙色材料的發(fā)展是在其HgCdTe單色材料的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。根據(jù)自身的技術(shù)特點尋求適合自身的技術(shù)路線才是發(fā)展HgCdTe雙色材料正確的道路。材料性能是制備HgCdTe雙色探測器的首先需要克服的困難,之后還有諸如刻蝕、讀出電路、互聯(lián)等一系列的問題需要解決。發(fā)展HgCdTe雙色探測器技術(shù),任重而道遠。

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