碲镉汞激光线刻蚀研究

张 赫, 蒋鸿儒, 潘晨博

(1.上海大学 理学院,上海 200444; 2.中国科学院 上海高等研究院，上海 201210)

0 引 言

碲镉汞(HgCdTe)材料具有可调带隙、高探测率以及较高的工作温度等特点,是红外探测器的主要材料之一[1-3]。

在碲镉汞材料合成制造过程中,常通过离子刻蚀等加工方案为材料引入缺陷,其中的部分缺陷可以给材料带来新的物理特性,这给碲镉汞材料的器件应用提供了新的研究方向[4-6]。

飞秒激光作为一种先进的加工技术,由于其加工精度高、加工效率快、对材料要求低等优点,在表面加工领域展露出巨大的市场应用前景[7-8]。飞秒激光与物质相互作用时,脉冲持续时间远小于材料内部受激电子的弛豫时间,因此产生的附加热效应小,不会破坏材料内部结构。另外,飞秒激光极短的脉宽可以产生极高的光强，从而突破衍射极限。

随着焦平面阵列器件的发展,其尺寸在不断减小,这对于有效光敏元的面积尺寸要求越来越高。飞秒激光对碲镉汞材料加工形成的区域刻蚀,尺寸在微米量级,可以满足光敏元尺寸的要求[9-11]。因此,将飞秒激光加工技术应用于碲镉汞材料制备,对于提高碲镉汞材料品质并完善工艺,制造出优良的焦平面列阵是很有必要的。

本文工作运用激光束诱导电流(laser beam induced current,LBIC)技术对飞秒激光刻蚀区域进行光电流性质探测,试验发现激光刻蚀孔洞区发生改性,刻线区只有一侧产生光电流信号且与激光刻蚀方向有关。这一发现揭示了激光刻蚀与碲镉汞材料相互作用机理,为飞秒激光加工半导体材料提供了一个有效论证。

1 试验原理与设备

LBIC是一种高效、非破坏性的用来研究材料空间结构和电活性区域以及缺陷的测试方法[12]。半导体样品中经常存在电活性缺陷,可以利用LBIC技术确定电活性的杂质、缺陷簇和材料的不均匀性等,还可以利用该技术测试PN结结深、载流子的扩散长度、探测器的品质因子及均匀性等。

LBIC技术具有高分辨、非直接接触、操作方便的优点,在诸如太阳能电池、光电探测器阵列等光伏器件研究中有着广泛的应用。

LBIC技术原理示意图如图1所示。He-Ne激光聚焦在样品表面时会激发电子-空穴对。当激光光电照射在孔区边缘处的PN结界面时,由于内建电场的存在,将电子-空穴对分开,产生光伏电势,光伏电势作用在闭合回路形成电流;当光点扫描PN结界面时,会产生最强的LBIC信号;当激光照射点在距耗尽区一个扩散长度的范围内时,同样产生光电流信号,其大小与扩散距离有关。

图1 LBIC技术原理示意图

因为N区两侧PN结界面处电场强度相反,所以扫描出的整个PN结的LBIC曲线会显示正负双峰结构,另外还可以根据信号的大小判断PN结内建电场的强弱。

试验所使用的LBIC测量系统示意图如图2所示。

试验光源采用632 nm的He-Ne激光,经过扩束器和20倍的物镜聚焦在样品表面。CCD相机可以监控样品上的光斑尺寸,以最优化聚焦光斑的大小和位置。利用飞秒激光在碲镉汞样品上刻蚀出凹槽,聚焦在样品上的光斑最小可达3 μm。样品置于低温杜瓦内,可以在77 K的温度下进行测量。杜瓦瓶固定在高精度二维平移台上,通过平移台的移动,可以实现在样品表面的二维扫描。所获得的实验数据配合SR830锁相放大器消除背景噪声后进行采集。

图2 LBIC测量系统示意图

2 激光刻蚀碲镉汞模型

P型碲镉汞HgCdTe经过激光打孔后会表现出明显的PN结特性。可以认为激光损伤区的P型HgCdTe材料性质发生变化,由P型转变成N型。关于P型HgCdTe向N型转换的原因目前尚无定论,目前主流的观点是HgCdTe受到飞秒激光刻蚀作用,Hg—Te化学键在脉冲激光辐照下断裂,自由的Hg原子向四周扩散,使得辐照区Hg空位P型HgCdTe材料表层转换为Hg填隙N型HgCdTe。

在这种情形下，飞秒激光对P型HgCdTe进行打孔刻蚀后,孔的边缘区被诱导产生反型。该反型区与其外围的P型HgCdTe基底形成PN结。飞秒激光刻蚀碲镉汞模型如图3所示。

图3 飞秒激光刻蚀碲镉汞模型

3 试验结果与讨论

使用飞秒激光对HgCdTe刻蚀了3条刻线,刻线宽度为20 μm。光学显微镜下的刻线形貌照片如图4a所示。其中,刻线a和刻线c的激光刻蚀方向为从上到下方向,刻线b的激光刻蚀方向为从下到上方向。

沿着水平方向对刻线进行LBIC线扫描操作,锁相放大器直接测量光生电流信号,每条刻线进行从左到右的2次扫描操作,LBIC扫描结果如图4所示。

从图4可以看出,LBIC扫描信号的峰形表现出明显的方向性,刻线两侧的光电流信号存在明显差异。

图4 刻线形貌及LBIC扫描结果

文献[7]发现飞秒激光脉冲数目的大小会对P型碲镉汞激光打孔成结效果产生影响。实验得到不同脉冲数目的打孔结果，如图5所示。

从图5可以看出：1 ms脉冲数下的刻蚀孔半径较小,所对应PN结的LBIC信号呈现中心对称的双峰结构；随着飞秒激光脉冲数目的增加,100 ms脉冲数条件下飞秒激光刻蚀孔半径显著增大,且打孔成结效果逐渐消失。这说明飞秒激光刻蚀脉冲数的大小会影响成结效果。

本次实验获得的结果与上述结果吻合。当飞秒激光与碲镉汞材料进行线刻蚀操作时,激光与材料相互作用的脉冲时间更长,在刻蚀过程中引入了大量缺陷。使得LBIC信号产生了明显的偏移,导致图4中LBIC信号出现正向电流很强而负向电流几乎消失的现象,该现象正是PN结特性已经被严重破坏的体现。相关研究发现,若碲镉汞材料内部存在大量的空位、线位错等材料缺陷,由于这些缺陷的存在会导致碲镉汞光伏探测器无法正常工作,而同时一些缺陷还会引入漏电路径,该漏电路径会导致LBIC信号出现沿y轴方向的偏移,从而形成负向信号几乎消失的不对称分布。而激光刻蚀的方向性可能与激光加工时的光斑能量分布有关,该现象和机理有待进一步研究。

4 结 论

碲镉汞HgCdTe的飞秒激光刻蚀是目前碲镉汞材料应用的热点之一，目前已有研究发现飞秒激光对碲镉汞的线刻蚀会形成周期性表面微结构。在此研究的基础之上,本文探究了刻蚀区的电学性质,发现刻蚀结构左、右两侧的电学性质存在差异,表明线刻蚀会破坏碲镉汞材料的PN结特性,从而产生负向信号几乎消失的不对称LBIC信号分布。

本文研究结果对碲镉汞红外探测器的研究具有潜在的应用价值。