Si基双色碲镉汞材料阻挡层生长及表征

高 达,王经纬,王 丛,许秀娟

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

前期的工作中以Si基中波、短波HgCdTe材料工艺为基础,建立了Si基中/短波双色HgCdTe材料工艺,并获得了预期的材料参数和较好的晶体质量。然而在研究过程中发现,双色HgCdTe材料缺陷普遍比单色HgCdTe材料缺陷大,缺陷直径普遍大于20 μm。通过缺陷成因分析,发现大缺陷的产生是阻挡层生长温度高于短波层材料的生长温度造成。为了获得更好的Si基双色HgCdTe材料晶体质量,需要对阻挡层生长工艺进行持续优化。

准平面双色结构利用多层外延技术,通过刻蚀,以并列的方式构成独立的两个不同响应波段的pn结。为了防止不同吸收层的光生载流子扩散到另一吸收层,避免形成波段之间的串音,在两个吸收层之间生长一层高组分的阻挡层。所设计的阻挡层参数决定了其对串音的阻挡效果。在实际的工艺过程中发现,阻挡层材料参数的表征有一定的困难。为了获得材料参数控制精确的双色HgCdTe材料,必须对现有的双色材料表征工艺进行改进。

因此,Si基中短波双色HgCdTe材料的阻挡层的生长与表征,是获得材料参数控制精确、晶体质量良好的中短波双色材料的关键所在。

2 材料生长工艺设计及表征

2.1 Si基中短波双色HgCdTe材料生长

实验所用设备为芬兰DCA P600分子束外延系统,系统配有CdTe源、Te源和阀控Hg源,所用CdTe/Si复合衬底为本实验室生长[1-2],如图1所示。

图1 生长后的CdTe/Si复合衬底照片Fig.1 Photograph of CdTe/Si composite substrate

CdTe复合衬底在装入MBE系统进行HgCdTe生长前,先使用0.5%的溴甲醇腐蚀20 s,然后使用大量甲醇冲洗,最后使用高纯氮气吹干后装入设备；衬底在Loadlock中180 ℃除气3 h后即可使用。生长过程中使用RHEED对生长表面进行实时监控样品表面温度监控使用高温计,通过这两种在线测试方法可以即时的调整和优化生长参数；组分控制是在考虑粘附系数修正的情况下,依据公式:

来调整HgCdTe薄膜中Cd的组分。

图2 Si基双色HgCdTe材料结构示意图Fig.2 The schematic of dual band HgCdTe heterostructure

采用的Si基中短波双色HgCdTe材料结构为叠层结构,如图2所示,使用MBE生长多层HgCdTe外延获得双色材料。由于阻挡层生长组分高、厚度薄的材料参数要求,和其在结构中所处的位置,决定了阻挡层生长质量不仅决定了能否减少串音的产生,也影响着整个双色材料的晶体质量。阻挡层相较短波、中波HgCdTe组分更大,也就意味着阻挡层工艺中的Hg/Te比、生长温度均需要根据阻挡层的组分进行调整。

2.2 阻挡层生长工艺优化方案

前期的工艺开发中,我们借鉴短波HgCdTe材料工艺参数,设计阻挡层工艺[3-4]。考虑到生长温度的变化既可以获得适合阻挡层的生长温度,同时又影响着Hg的粘附系数。阻挡层生长工艺中的Hg/Te比沿用短波工艺参数,仅通过提高短波工艺参数中的生长温度获得适合阻挡层生长的材料工艺。并获得了较好晶体质量的中短波双色HgCdTe材料。但是此生长工艺方案中的阻挡层生长温度高于短波层材料的生长温度会造成双色HgCdTe材料大缺陷的产生。

为了解决这个问题,分析了短波层和阻挡层的工艺特色。首先是阻挡层生长工艺特点:相对短波层较高的生长温度和较低的Hg/Te比；其次是需要保证短波层晶体质量。综合阻挡层和短波层生长工艺的特色,提出了两个解决大缺陷问题的方案,如表1所示。方案一:提高生长温度的同时提高Hg束流,另外提高Te束流来保证较低的Hg/Te比。方案二:仅降低Hg/Te比来获得较为适合阻挡层的生长工艺。

表1 阻挡层生长工艺优化方案Tab.1 optimization scheme of the growth of barrier

按照三个阻挡层工艺方案进行了三次Si基中短波双色HgCdTe材料工艺,获得了三片Si基中短波双色HgCdTe材料如图3所示。

(a)原方案

(b)方案一

原生长工艺方案获得的双色HgCdTe材料缺陷直径普遍大于20 μm,这种大缺陷对器件性能,尤其是盲元率和表面漏电,造成一定的影响。为了获得缺陷直径小于10 μm的双色HgCdTe材料,我们需要更加优化的双色HgCdTe阻挡层工艺。方案一获得的双色材料缺陷直径略有降低,但是仍然在10 μm以上,此方案仍不能完全解决大缺陷的问题。按照方案二进行的双色材料,成功的将缺陷大小降低到10 μm以内,缺陷密度也是这三个生长工艺中最少的。可以判断,方案二的阻挡层生长工艺更加适合双色材料工艺,能够解决大缺陷的问题,并一定程度上优化了材料质量。

2.3 阻挡层表征方案

现阶段阻挡层的表征手段使用FTIR数据模拟,并通过SEM测量双色材料截面验证,获得双色材料多层的参数,但是由于阻挡层组分大、厚度薄,参数模拟时误差相对较大。获得的数据模拟值与设计值有较大出入,亟需寻找新的表征手段进行阻挡层参数的表征。

FTIR获得的光谱图可以直接获得的材料参数为中波层组分,分别通过腐蚀材料测量FTIR光谱图,SEM扫描材料截面,可以获得材料短波层组分和各层厚度,如图4～图6所示。但是阻挡层的组分无法直接获得。

图4 Si基中短波双色HgCdTe材料测试及模拟结果Fig.4 FTIR date simulation

图5 腐蚀不同厚度傅里叶变换红外光谱图对比Fig.5 Comparison of FTIR date with different thickness

图6 SEM截面图Fig.6 SEM profile of dual band HgCdTe

为了获得阻挡层组分信息,需要使用光致发光技术。光致发光技术是一项对材料,尤其是半导体材料进行无损检测的经典手段。通过对吸收系数的研究来对光致发光谱进行研究,并且和实验结果进行对照,对光致发光谱中的峰进行研究。首先在77 K条件下对双色材料进行光致发光谱的测量,仅仅获得了中波层吸收峰的数据,波数1781 cm-1如图7所示。波数对应HgCdTe组分为0.286,FTIR测量获得的组分基本相同,如表2中所示。但是由于中波层厚度较高,光致发光无法获得阻挡层材料的信息,因此需要对材料进行腐蚀处理。

图7 77 K下双色HgCdTe材料光致发光谱Fig.7 PL date of dual band HgCdTe at 77 K表2 PL与FTIR测量组分结果对比Tab.2 Comparison of PL date and FTIR date

PLFTIR中波层组分0.2860.285

中波层厚度为5.15 μm,腐蚀掉4.9 μm后在77 K条件下对双色材料进行光致发光谱的测量。不仅能够得到中波层吸收峰,阻挡层吸收峰参数也表征了出来。阻挡层吸收峰波数3523 cm-1对应HgCdTe组分为0.422，如图8所示。在FTIR数据模拟中,阻挡层组分为0.41,与PL测量得到的组分相差较大。阻挡层组分设计值为0.45～0.5,实际获得的组分为0.422,相对较小。在之后的工艺中,应当调节响应参数,提高阻挡层组分。

图8 腐蚀前和腐蚀后77 K下双色HgCdTe材料光致发光谱Fig.8 Comparison of corrosion and uncorrosion PL date of dual band HgCdTe at 77 K

3 结 论

通过阻挡层优化方案设计,成功地将缺陷大小降低到10 μm以内,成功地解决了出现的大缺陷问题。并且材料质量获得了一定的提升,缺陷密度降低到2000 cm-2以内。开创性地使用PL测量双色HgCdTe材料阻挡层组分信息,自此完整地建立了双色HgCdTe材料参数的测试体系,能够准确地获得多层HgCdTe材料每一层的组分、厚度信息,为材料参数控制,材料结构设计奠定了坚实的基础。