Si基短波碲鎘汞材料分子束外延生長研究

王經(jīng)緯,高 達(dá)

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

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·紅外材料與器件·

Si基短波碲鎘汞材料分子束外延生長研究

王經(jīng)緯,高 達(dá)

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

報(bào)道了在中波工藝基礎(chǔ)上,Si基碲鎘汞分子束外延短波工藝的最新研究進(jìn)展,通過溫度標(biāo)定、使用反射式高能電子衍射、高溫計(jì)的在線測(cè)量和現(xiàn)有的中波Si基碲鎘汞溫度控制曲線建立及優(yōu)化了Si基碲鎘汞短波材料的生長溫度控制曲線；獲得的Si基短波HgCdTe材料表面光亮、均勻,表面缺陷密度小于3000 cm-2；基于此技術(shù)成功制備出了Si基短/中波雙色材料。

硅基碲鎘汞；分子束外延；短波碲鎘汞外延；短/中波雙色碲鎘汞

1 引 言

硅基碲鎘汞焦平面器件因?yàn)槠涓蟮目捎妹娣e、更低的材料成本、與Si讀出電路的熱應(yīng)力自動(dòng)匹配、較高的機(jī)械強(qiáng)度和平整度、更高的熱導(dǎo)率以及潛在的可以實(shí)現(xiàn)單片式IRFPA等優(yōu)點(diǎn),近些年受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注和研究[1-6]。盡管Si襯底材料與碲鎘汞高達(dá)19.3%的晶格失配導(dǎo)致Si基材料的位錯(cuò)密度相對(duì)更高,但Si基短、中波探測(cè)器已經(jīng)被證明完全可以取代碲鋅鎘基材料。

在Si基碲鎘汞材料的制備過程中主要存在兩個(gè)難題：①巨大的晶格失配；②高精度的溫度控制。由于使用Si基復(fù)合襯底與背面的熱偶是非接觸的,且CdTe和HgCdTe表面的發(fā)射率存在較大的差異,因此在生長的初始階段由于表面發(fā)射率的變化導(dǎo)致樣品表面的溫度會(huì)產(chǎn)生變化,這個(gè)溫度的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了HgCdTe的生長窗口,這就需要合適的生長溫度控制曲線來補(bǔ)償生長表面溫度的變化[2]。對(duì)于以上兩個(gè)難點(diǎn),盡管在中波波段已經(jīng)能夠較好的解決,然而對(duì)于Si基碲鎘汞的一個(gè)重要應(yīng)用—Si基短波大面陣及Si基中/短波雙色探測(cè)器,由于短、中波材料生長條件的較大差異性還沒有較好的解決。

本文報(bào)道了在Si基復(fù)合襯底、Si基中波碲鎘汞工藝的基礎(chǔ)上,通過既有數(shù)據(jù)分析、生長溫度曲線優(yōu)化等方法,成功的獲得了高質(zhì)量的3 in短波碲鎘汞薄膜材料,并對(duì)其進(jìn)行了表征。在此基礎(chǔ)上制備出了短/中波雙色材料并簡單進(jìn)行了表征。

2 實(shí) 驗(yàn)

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；所用復(fù)合襯底為我們自己生長[1],如圖1所示。

圖1 生長后的CdTe/Si復(fù)合襯底照片

復(fù)合襯底在裝入系統(tǒng)進(jìn)行生長前,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；襯底在預(yù)處理室中180 ℃除氣3 h后即可使用。樣品表面溫度監(jiān)控使用高溫計(jì),生長過程中使用RHEED對(duì)生長表面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,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：

(1)

來調(diào)整Hg1-xCdxTe薄膜中Cd的組分。

使用XRD測(cè)量材料的雙晶搖擺曲線,采用CuKα1特征譜線,單色器采用四個(gè)Ge(220)晶體；對(duì)材料組分及厚度的測(cè)試使用傅里葉紅外透射光譜儀；HgCdTe位錯(cuò)密度的測(cè)量選用Chen位錯(cuò)腐蝕劑[2],腐蝕時(shí)間約30 s；位錯(cuò)腐蝕坑的觀察、計(jì)算和對(duì)HgCdTe材料表面形貌觀察分別采用了掃描電子顯微鏡(SEM)和普通的光學(xué)顯微鏡。

3 短波生長工藝參數(shù)的確定及材料表征

3.1 生長工藝參數(shù)的確定

同中波生長相比,Si基短波碲鎘汞材料的生長差異主要在：①溫度控制曲線的設(shè)定；②不同的Hg/Te比；③不同的CdTe/Te束流比。其中第三點(diǎn)可以通過設(shè)計(jì)的組分值,使用公式(1)計(jì)算并修正得到較為準(zhǔn)確的值；難點(diǎn)在于由二者材料性質(zhì)不同導(dǎo)致的生長溫度的差異,而Hg/Te比在一定的范圍內(nèi)和溫度的設(shè)定是相關(guān)的,通常在80～130之間。對(duì)于不同組分的碲鎘汞的生長,可調(diào)整參數(shù)通常有四個(gè)：襯底溫度(影響襯底表面原子遷移、成核及各原子尤其是Hg原子的粘附系數(shù))、Hg流量、Te束流和CdTe束流；由于各個(gè)參數(shù)調(diào)整的相關(guān)性不是零,增大了工藝的難度?；谥胁üに嚮A(chǔ),在短波材料的生長過程中我們選擇同樣的Te束流并依據(jù)此設(shè)定CdTe束流；同時(shí)選擇溫度作為自變量,通過溫度的調(diào)整影響Hg原子粘附系數(shù)進(jìn)而影響Hg/Te比。

3.1.1 初始生長溫度的確定

短波和中波材料根據(jù)組分的不同,其最優(yōu)生長溫度存在2～5 ℃的差異；同時(shí)二者在成核過程中吸放熱也存在差異,同樣需要在設(shè)定溫度曲線時(shí)候考慮進(jìn)去。綜合二者、結(jié)合前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果,短、中波材料的生長溫度控制曲線差別可以確定在5～10 ℃。

3.1.2 穩(wěn)定生長時(shí)溫度的確定

穩(wěn)定生長階段是指當(dāng)碲鎘汞材料的厚度達(dá)到一定值以后,在一定的設(shè)定溫度下,表面溫度不再隨著薄膜厚度的增厚而上升的階段,即薄膜達(dá)到此厚度后可將特定波長(能量)范圍內(nèi)的光全部吸收。

分子束外延設(shè)備采用熱輻射的方法在襯底材料的背面對(duì)其進(jìn)行加熱,熱偶在同側(cè)采用非接觸的方式測(cè)溫,因此,如果材料對(duì)熱輻射的吸收能力不同,同樣的設(shè)定溫度下,襯底材料表面的溫度并不相同。碲鎘汞短波及中波材料由于其二者對(duì)于紅外光的吸收不同,如圖所示,在同樣的設(shè)定溫度下襯底表面的溫度會(huì)有較大差異。

圖2 短波、中波透過曲線對(duì)比

同生長最初始階段不同,隨著薄膜厚度的增加,應(yīng)該更多的考慮進(jìn)這種差異,直到達(dá)到臨界厚度。由此可知：①在達(dá)到這一臨界厚度前,短波、中波碲鎘汞材料生長過程中的溫度控制曲線間的差異是在逐漸增大的；②到達(dá)臨界厚度后溫度設(shè)定即達(dá)到穩(wěn)定值；③同初始生長階段相比,穩(wěn)定生長時(shí)短、中波的溫度設(shè)定值的差異要更大。

需要注意的是,由于同樣原因,對(duì)于短/中波雙色材料,在結(jié)束高組分阻擋層外延后的中波外延初始階段,在設(shè)定溫度相同的情況下,材料表面溫度會(huì)因?yàn)槲崭嗟臒彷椛涠?這個(gè)過程和Si基復(fù)合襯底進(jìn)行中波碲鎘汞材料生長類似；而同時(shí)中波材料的最優(yōu)生長溫度又要低于短波材料2～5 ℃,因此在外延過程中溫度控制曲線的設(shè)定需要將上述因素全部考慮在內(nèi)。

基于已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果及上述分析,擬合獲得的短波材料溫度控制曲線如圖3所示；基于該生長控制曲線的材料生長結(jié)束前RHEED衍射圖樣如圖4所示,從圖中可以看出盡管材料質(zhì)量仍有一定的優(yōu)化空間,但可以認(rèn)為已經(jīng)突破了該項(xiàng)工藝。

圖3 短波、中波生長溫控曲線對(duì)比

圖4 生長結(jié)束前短波材料RHEED衍射圖

3.2 短波材料的表征

通過傅里葉紅外光譜儀測(cè)得短波Hg1-xCdxTe材料組分為0.4009,截止波長為3.09 μm,厚度為9.018 μm條件下雙晶衍射半峰寬為107.6 arcsec。材料表面照片及200×下顯微鏡照片如圖5所示,可以看出碲鎘汞薄膜表面光亮、均勻,沒有宏觀缺陷團(tuán),在該放大倍數(shù)下2 μm以上缺陷密度為3000 cm-2以下。

圖5 3英寸短波HgCdTe材料表面及顯微鏡照片

3.3 短/中波雙色材料的生長及表征

以高質(zhì)量短波HgCdTe材料外延技術(shù)為基礎(chǔ),我們外延了短/中波雙色材料,材料的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。在生長條件沒有經(jīng)過優(yōu)化的條件下材料表面缺陷密度小于5000 cm-2,并且表面沒有明顯宏觀缺陷。由分子束外延的生長原理可知,獲得的短波碲鎘汞材料綜合質(zhì)量良好。

中波Hg1-xCdxTe吸收層,x=0.3短波Hg1-xCdxTe阻擋層,x=0.5短波Hg1-xCdxTe吸收層,x=0.4Si基復(fù)合襯底

圖6 Si基短/中波材料結(jié)構(gòu)示意圖

使用傅里葉紅外透射測(cè)試并經(jīng)過軟件擬合,我們測(cè)得中波吸收層的組分為0.31,厚度6 μm,短波吸收層組分為0.40,厚度約5.02 μm。

為了更全面的表征短/中波雙色材料,使用俄歇電子能譜對(duì)樣品其進(jìn)行了截面掃描測(cè)試,并通過掃描電子顯微鏡觀察了經(jīng)過FIB處理后的截面。圖7中可見,各層之間的界面明顯,厚度與軟件模擬結(jié)果一致。

圖7 短/中波雙色碲鎘汞材料的表征

4 結(jié) 論

在Si基中波工藝的基礎(chǔ)上,通過溫度標(biāo)定、數(shù)據(jù)分析、實(shí)驗(yàn)分析等方法,獲得并優(yōu)化了Si基短波碲鎘汞的生長條件,獲得了高質(zhì)量的短波碲鎘汞材料,材料的缺陷密度小于3000 cm-2；以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了短/中波雙色碲鎘汞材料的外延,在未經(jīng)過優(yōu)化的前提下,表面質(zhì)量良好,組分、厚度均與設(shè)計(jì)值相符。

致 謝：對(duì)強(qiáng)宇、王彬、折偉林、沈?qū)氂?、晉舜國、田璐等同志所做的相關(guān)工作深表感謝！

[1] Zhou Liqing,Liu Ming,et al.Study on MBE CdTe layer on 3 inch silicon substrate[J].Laser & Infrared,2011,41(5):537-541.(in Chinese)

周立慶,劉銘,等.3英寸CdTe/Si復(fù)合襯底外延技術(shù)研究[J].激光與紅外,2011,41(5):537-541.

[2] G Brill,S Velicu,et al.MBE growth and device processing of MWIR HgCdTe on large area Si substrates[J].Electron.Mater,2001,30:717-722.

[3] S Farrell,G Brill.et al.Ex situ cycle annealing of molecular beam epitaxy grown HgCdTe/Si layers[J].Electron.Mater,2010,39,43-48.

[4] P S Wijewarnasuriiya,G Brill.LWIR MBE HgCdTe photovoltaic detectors grown on Si composite substrates[J].SPIE,2004,5046:323-331.

[5] B Yang,Y xin.Molecular beam epitaxial growth and structural properties of HgCdTe layers on CdTe(211)B/Si(211) substrates[J].Appl.Phys,2000,88:115-119.

[6] Fu Xiangliang,et al.Study of surface defects induced by impurities from mercury source on MBE grown HgCdTe epilayers[J].Laser & Infrared,2007,37(9):915-918.(in Chinese)

Research on short-wavelength HgCdTe film growth on silicon composite substrate by molecular beam epitaxy growth

WANG Jing-wei,GAO Da

(North China Research Institute of Electro-optics,Beijing 100015,China)

Based on the fabrication technology of MW HgCdTe,the recent research progress on molecular beam epitaxy growth of SW-HgCdTe on Si composite substrate is reported.Through the original temperature calibration,the use of in-situ measurements such as RHEED and pyrometry,the temperature-controlling figure profile of MW-MCT,a customized temperature-controlling figure profile for SW-MCT was built and optimized.The defects density of optimized Si based SW-HgCdTe is less than 3000 cm-2and the surface is smooth and uniform.SW/MW dual-band HgCdTe has been also fabricated based on this technology.

Si based HgCdTe;MBE;SW-HgCdTe;SW/MW dual-band HgCdTe

1001-5078(2015)06-0646-04

王經(jīng)緯(1983-)，男，工程師，碩士，主要從事HgCdTe材料生長技術(shù)的研究。E-mail：wjwsgtc@163.com

2014-11-07;

2015-01-05

TN213

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.06.010