Si基雙色碲鎘汞材料阻擋層生長及表征

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)生是阻擋層生長溫度高于短波層材料的生長溫度造成。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 材料生長工藝設(shè)計(jì)及表征

2.1 Si基中短波雙色HgCdTe材料生長

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[1-2],如圖1所示。

圖1 生長后的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。生長過程中使用RHEED對(duì)生長表面進(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:

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生長多層HgCdTe外延獲得雙色材料。由于阻擋層生長組分高、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]。考慮到生長溫度的變化既可以獲得適合阻擋層的生長溫度,同時(shí)又影響著Hg的粘附系數(shù)。阻擋層生長工藝中的Hg/Te比沿用短波工藝參數(shù),僅通過提高短波工藝參數(shù)中的生長溫度獲得適合阻擋層生長的材料工藝。并獲得了較好晶體質(zhì)量的中短波雙色HgCdTe材料。但是此生長工藝方案中的阻擋層生長溫度高于短波層材料的生長溫度會(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。首先是阻擋層生長工藝特點(diǎn):相對(duì)短波層較高的生長溫度和較低的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工藝。

表1 阻擋層生長工藝優(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)生長工藝中最少的?？梢耘袛?方案二的阻擋層生長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)。