高 達(dá),王經(jīng)緯,王 叢,許秀娟

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

前期的工作中以Si基中波、短波HgCdTe材料工藝為基礎(chǔ),建立了Si基中/短波雙色HgCdTe材料工藝,并獲得了預(yù)期的材料參數(shù)和較好的晶體質(zhì)量。然而在研究過程中發(fā)現(xiàn),雙色HgCdTe材料缺陷普遍比單色HgCdTe材料缺陷大,缺陷直徑普遍大于20 μm。通過缺陷成因分析,發(fā)現(xiàn)大缺陷的產(chǎn)生是阻擋層生長(zhǎng)溫度高于短波層材料的生長(zhǎng)溫度造成。為了獲得更好的Si基雙色HgCdTe材料晶體質(zhì)量,需要對(duì)阻擋層生長(zhǎng)工藝進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。

準(zhǔn)平面雙色結(jié)構(gòu)利用多層外延技術(shù),通過刻蝕,以并列的方式構(gòu)成獨(dú)立的兩個(gè)不同響應(yīng)波段的pn結(jié)。為了防止不同吸收層的光生載流子擴(kuò)散到另一吸收層,避免形成波段之間的串音,在兩個(gè)吸收層之間生長(zhǎng)一層高組分的阻擋層。所設(shè)計(jì)的阻擋層參數(shù)決定了其對(duì)串音的阻擋效果。在實(shí)際的工藝過程中發(fā)現(xiàn),阻擋層材料參數(shù)的表征有一定的困難。為了獲得材料參數(shù)控制精確的雙色HgCdTe材料,必須對(duì)現(xiàn)有的雙色材料表征工藝進(jìn)行改進(jìn)。

因此,Si基中短波雙色HgCdTe材料的阻擋層的生長(zhǎng)與表征,是獲得材料參數(shù)控制精確、晶體質(zhì)量良好的中短波雙色材料的關(guān)鍵所在。

2 材料生長(zhǎng)工藝設(shè)計(jì)及表征

2.1 Si基中短波雙色HgCdTe材料生長(zhǎng)

實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為芬蘭DCA P600分子束外延系統(tǒng),系統(tǒng)配有CdTe源、Te源和閥控Hg源,所用CdTe/Si復(fù)合襯底為本實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)[1-2],如圖1所示。

圖1 生長(zhǎng)后的CdTe/Si復(fù)合襯底照片F(xiàn)ig.1 Photograph of CdTe/Si composite substrate

CdTe復(fù)合襯底在裝入MBE系統(tǒng)進(jìn)行HgCdTe生長(zhǎng)前,先使用0.5%的溴甲醇腐蝕20 s,然后使用大量甲醇沖洗,最后使用高純氮?dú)獯蹈珊笱b入設(shè)備；襯底在Loadlock中180 ℃除氣3 h后即可使用。生長(zhǎng)過程中使用RHEED對(duì)生長(zhǎng)表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控樣品表面溫度監(jiān)控使用高溫計(jì),通過這兩種在線測(cè)試方法可以即時(shí)的調(diào)整和優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)；組分控制是在考慮粘附系數(shù)修正的情況下,依據(jù)公式:

來調(diào)整HgCdTe薄膜中Cd的組分。

圖2 Si基雙色HgCdTe材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic of dual band HgCdTe heterostructure

采用的Si基中短波雙色HgCdTe材料結(jié)構(gòu)為疊層結(jié)構(gòu),如圖2所示,使用MBE生長(zhǎng)多層HgCdTe外延獲得雙色材料。由于阻擋層生長(zhǎng)組分高、厚度薄的材料參數(shù)要求,和其在結(jié)構(gòu)中所處的位置,決定了阻擋層生長(zhǎng)質(zhì)量不僅決定了能否減少串音的產(chǎn)生,也影響著整個(gè)雙色材料的晶體質(zhì)量。阻擋層相較短波、中波HgCdTe組分更大,也就意味著阻擋層工藝中的Hg/Te比、生長(zhǎng)溫度均需要根據(jù)阻擋層的組分進(jìn)行調(diào)整。

2.2 阻擋層生長(zhǎng)工藝優(yōu)化方案

前期的工藝開發(fā)中,我們借鑒短波HgCdTe材料工藝參數(shù),設(shè)計(jì)阻擋層工藝[3-4]?？紤]到生長(zhǎng)溫度的變化既可以獲得適合阻擋層的生長(zhǎng)溫度,同時(shí)又影響著Hg的粘附系數(shù)。阻擋層生長(zhǎng)工藝中的Hg/Te比沿用短波工藝參數(shù),僅通過提高短波工藝參數(shù)中的生長(zhǎng)溫度獲得適合阻擋層生長(zhǎng)的材料工藝。并獲得了較好晶體質(zhì)量的中短波雙色HgCdTe材料。但是此生長(zhǎng)工藝方案中的阻擋層生長(zhǎng)溫度高于短波層材料的生長(zhǎng)溫度會(huì)造成雙色HgCdTe材料大缺陷的產(chǎn)生。

為了解決這個(gè)問題,分析了短波層和阻擋層的工藝特色。首先是阻擋層生長(zhǎng)工藝特點(diǎn):相對(duì)短波層較高的生長(zhǎng)溫度和較低的Hg/Te比；其次是需要保證短波層晶體質(zhì)量。綜合阻擋層和短波層生長(zhǎng)工藝的特色,提出了兩個(gè)解決大缺陷問題的方案,如表1所示。方案一:提高生長(zhǎng)溫度的同時(shí)提高Hg束流,另外提高Te束流來保證較低的Hg/Te比。方案二:僅降低Hg/Te比來獲得較為適合阻擋層的生長(zhǎng)工藝。

表1 阻擋層生長(zhǎng)工藝優(yōu)化方案Tab.1 optimization scheme of the growth of barrier

按照三個(gè)阻擋層工藝方案進(jìn)行了三次Si基中短波雙色HgCdTe材料工藝,獲得了三片Si基中短波雙色HgCdTe材料如圖3所示。

(a)原方案

(b)方案一

原生長(zhǎng)工藝方案獲得的雙色HgCdTe材料缺陷直徑普遍大于20 μm,這種大缺陷對(duì)器件性能,尤其是盲元率和表面漏電,造成一定的影響。為了獲得缺陷直徑小于10 μm的雙色HgCdTe材料,我們需要更加優(yōu)化的雙色HgCdTe阻擋層工藝。方案一獲得的雙色材料缺陷直徑略有降低,但是仍然在10 μm以上,此方案仍不能完全解決大缺陷的問題。按照方案二進(jìn)行的雙色材料,成功的將缺陷大小降低到10 μm以內(nèi),缺陷密度也是這三個(gè)生長(zhǎng)工藝中最少的。可以判斷,方案二的阻擋層生長(zhǎng)工藝更加適合雙色材料工藝,能夠解決大缺陷的問題,并一定程度上優(yōu)化了材料質(zhì)量。

2.3 阻擋層表征方案

現(xiàn)階段阻擋層的表征手段使用FTIR數(shù)據(jù)模擬,并通過SEM測(cè)量雙色材料截面驗(yàn)證,獲得雙色材料多層的參數(shù),但是由于阻擋層組分大、厚度薄,參數(shù)模擬時(shí)誤差相對(duì)較大。獲得的數(shù)據(jù)模擬值與設(shè)計(jì)值有較大出入,亟需尋找新的表征手段進(jìn)行阻擋層參數(shù)的表征。

FTIR獲得的光譜圖可以直接獲得的材料參數(shù)為中波層組分,分別通過腐蝕材料測(cè)量FTIR光譜圖,SEM掃描材料截面,可以獲得材料短波層組分和各層厚度,如圖4～圖6所示。但是阻擋層的組分無法直接獲得。

圖4 Si基中短波雙色HgCdTe材料測(cè)試及模擬結(jié)果Fig.4 FTIR date simulation

圖5 腐蝕不同厚度傅里葉變換紅外光譜圖對(duì)比Fig.5 Comparison of FTIR date with different thickness

圖6 SEM截面圖Fig.6 SEM profile of dual band HgCdTe

為了獲得阻擋層組分信息,需要使用光致發(fā)光技術(shù)。光致發(fā)光技術(shù)是一項(xiàng)對(duì)材料,尤其是半導(dǎo)體材料進(jìn)行無損檢測(cè)的經(jīng)典手段。通過對(duì)吸收系數(shù)的研究來對(duì)光致發(fā)光譜進(jìn)行研究,并且和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)照,對(duì)光致發(fā)光譜中的峰進(jìn)行研究。首先在77 K條件下對(duì)雙色材料進(jìn)行光致發(fā)光譜的測(cè)量,僅僅獲得了中波層吸收峰的數(shù)據(jù),波數(shù)1781 cm-1如圖7所示。波數(shù)對(duì)應(yīng)HgCdTe組分為0.286,FTIR測(cè)量獲得的組分基本相同,如表2中所示。但是由于中波層厚度較高,光致發(fā)光無法獲得阻擋層材料的信息,因此需要對(duì)材料進(jìn)行腐蝕處理。

圖7 77 K下雙色HgCdTe材料光致發(fā)光譜Fig.7 PL date of dual band HgCdTe at 77 K表2 PL與FTIR測(cè)量組分結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of PL date and FTIR date

PLFTIR中波層組分0.2860.285

中波層厚度為5.15 μm,腐蝕掉4.9 μm后在77 K條件下對(duì)雙色材料進(jìn)行光致發(fā)光譜的測(cè)量。不僅能夠得到中波層吸收峰,阻擋層吸收峰參數(shù)也表征了出來。阻擋層吸收峰波數(shù)3523 cm-1對(duì)應(yīng)HgCdTe組分為0.422，如圖8所示。在FTIR數(shù)據(jù)模擬中,阻擋層組分為0.41,與PL測(cè)量得到的組分相差較大。阻擋層組分設(shè)計(jì)值為0.45～0.5,實(shí)際獲得的組分為0.422,相對(duì)較小。在之后的工藝中,應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)響應(yīng)參數(shù),提高阻擋層組分。

圖8 腐蝕前和腐蝕后77 K下雙色HgCdTe材料光致發(fā)光譜Fig.8 Comparison of corrosion and uncorrosion PL date of dual band HgCdTe at 77 K

3 結(jié) 論

通過阻擋層優(yōu)化方案設(shè)計(jì),成功地將缺陷大小降低到10 μm以內(nèi),成功地解決了出現(xiàn)的大缺陷問題。并且材料質(zhì)量獲得了一定的提升,缺陷密度降低到2000 cm-2以內(nèi)。開創(chuàng)性地使用PL測(cè)量雙色HgCdTe材料阻擋層組分信息,自此完整地建立了雙色HgCdTe材料參數(shù)的測(cè)試體系,能夠準(zhǔn)確地獲得多層HgCdTe材料每一層的組分、厚度信息,為材料參數(shù)控制,材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。