碲鎘汞雙色材料技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

高 達(dá)，王 叢

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

從20世紀(jì)90年代初首次報(bào)道HgCdTe紅外雙色探測(cè)器以來，雙色探測(cè)器一直是紅外焦平面領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并且在紅外探測(cè)器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。雙色探測(cè)器系統(tǒng)提供兩個(gè)波段信息，可以抑制目標(biāo)復(fù)雜背景。根據(jù)雙波段信號(hào)，能夠提取目標(biāo)的熱力學(xué)溫度，因此在目標(biāo)辨認(rèn)，信號(hào)識(shí)別及抗干擾方面性能優(yōu)于單色探測(cè)器。在地球物理、衛(wèi)星遙感、軍事預(yù)警跟蹤方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。

雙色探測(cè)器的材料主要有HgCdTe和量子阱(QWIPs)兩種，兩種材料各有優(yōu)點(diǎn)。量子阱技術(shù)基于成熟的A3B5材料生長(zhǎng)技術(shù)，由于這種技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用較廣，擁有很好的技術(shù)基礎(chǔ)。因此QWIPs具有很高的產(chǎn)額，生長(zhǎng)過程有很好的操作性，有利于降低成本和保證產(chǎn)品的一致性。HgCdTe紅外探測(cè)器由Lawson等人于1959年首次報(bào)道，其禁帶寬度隨組分連續(xù)變化(－0.14～1.56 eV)，可以包含整個(gè)紅外波段，這對(duì)于制備雙色探測(cè)器件至關(guān)重要。HgCdTe還具有本征載流子濃度低(ni～1014cm－3)，電子有效質(zhì)量小(me*～0.007 m0)，電子遷移率高(μe～105cm2/V·s)，載流子壽命長(zhǎng)(τ～10－6s)，吸收系數(shù)大(～103cm－1)等特點(diǎn)，因此相對(duì)QWIPs具有更高的量子效率，更高的工作溫度和更高的工作性能。在五十多年的研究中，HgCdTe技術(shù)已經(jīng)積累了豐厚的技術(shù)成果，基本上滿足雙色紅外探測(cè)器對(duì)材料的要求。

從1993年 SantaBarbaraResearchCenter(SBRC)第一次使用液相外延(LPE)技術(shù)，制備HgCdTe雙色器件以來［1］，HgCdTe雙色材料技術(shù)在近20年的研究中已經(jīng)越來越成熟，制備出了高性能的雙色器件用于各種軍用或民用系統(tǒng)中。這其中，發(fā)達(dá)國(guó)家在HgCdTe雙色器件方面的研究路線值得學(xué)習(xí)和借鑒，這也是本文寫作的初衷，希望能在回顧國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在HgCdTe雙色材料方面的技術(shù)路線中得到啟發(fā)。

2 國(guó)外主要研究機(jī)構(gòu)HgCdTe雙色材料技術(shù)發(fā)展

2.1 簡(jiǎn)介

HgCdTe雙色材料出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初，由于當(dāng)時(shí)分子束外延(MBE)技術(shù)路線還不成熟，制備HgCdTe雙色材料使用的是LPE技術(shù)。如SBRC在1993年使用LPE技術(shù)制備的64×64，61 μm雙色HgCdTe器件，以及隨后1994年制備的128 ×128，50μm 雙色 HgCdTe器件［1］。但是由于LPE不能生長(zhǎng)相近波段的HgCdTe材料，SBRC中止了LPE生產(chǎn)雙色探測(cè)器的工作。但是LPE作為比較成熟的HgCdTe生長(zhǎng)技術(shù)，沒有被排除在雙色材料的生長(zhǎng)技術(shù)之外，這部分我們將在下面繼續(xù)講 到。1995 年，HughesResearch Laboratories(HRL)最早使用MBE技術(shù)生長(zhǎng)出了HgCdTe雙色材料［2］。相比而言，MBE技術(shù)在發(fā)展 HgCdTe雙色材料方面更有優(yōu)勢(shì):①可以精確控制厚度、結(jié)構(gòu)與成分，形成陡峭的異質(zhì)結(jié)構(gòu)等，這符合雙色探測(cè)器對(duì)于多層結(jié)構(gòu)材料的需求;②外延生長(zhǎng)的溫度低，因此降低了界面熱膨脹引入的晶格失配效應(yīng)和襯底雜質(zhì)對(duì)外延層的自摻雜擴(kuò)散影響，這在一定程度上提高了材料性能;③MBE是一個(gè)超高真空的物理沉積過程，可以對(duì)生長(zhǎng)和中斷進(jìn)行瞬時(shí)控制。因此，膜的組分和摻雜濃度可隨源的變化而迅速調(diào)整。這對(duì)于雙色材料不同組分吸收層的生長(zhǎng)至關(guān)重要。發(fā)展到現(xiàn)在，HgCdTe雙色技術(shù)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，Raytheon公司已經(jīng)可以生長(zhǎng)出8cm×8cm CdZnTe襯底和6in Si襯底高性能HgCdTe 雙色材料［3］。

2.2 美國(guó)Raytheon公司

Raytheon在HgCdTe雙色材料的研究可以追溯到SBRC和HRL，在先后合并了以上兩家研究機(jī)構(gòu)后，Raytheon繼承了兩家研究機(jī)構(gòu)在雙色HgCdTe材料方面的技術(shù)。Raytheon的HgCdTe雙色器件始于SBRC使用LPE生長(zhǎng)技術(shù)制備的雙色HgCdTe材料。隨著MBE技術(shù)的成熟，逐漸取代LPE成為制備雙色HgCdTe材料的主要手段。1995年開始HRL用MBE技術(shù)陸續(xù)生長(zhǎng)出HgCdTe雙色材料，并在之后的時(shí)間里一直提高性能、降低成本，發(fā)展大面積、高性能的HgCdTe雙色材料。

Raytheon公司制備HgCdTe雙色材料采用的是VG-Semicon系列的MBE系統(tǒng)，最大尺寸為10英寸，使用光學(xué)橢偏儀嚴(yán)格控制組分和厚度，從襯底處理到薄膜生長(zhǎng)各個(gè)步驟精益求精，力求達(dá)到材料的極限性能。Raytheon公司HgCdTe雙色材料為n-p-n結(jié)構(gòu)，生長(zhǎng)在CdZnTe或Si襯底上，如圖1所示。這個(gè)結(jié)構(gòu)中，較長(zhǎng)的波段處在整個(gè)結(jié)構(gòu)的上方。整個(gè)結(jié)構(gòu)可以在MBE生長(zhǎng)條件下一次生長(zhǎng)完成，并且在MBE生長(zhǎng)過程中進(jìn)行N型和P型摻雜。其中N型和P型摻雜劑分別為In和As。N型吸收層可以是從短波到甚長(zhǎng)波的任何一種波長(zhǎng)。N型摻雜濃度為1～3×1015cm－3。P型摻雜因?yàn)锳s在生長(zhǎng)過程中低的粘附系數(shù)和容易落到Hg空位中兩個(gè)原因，一直是HgCdTe技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)。Raytheon公司在HgCdTe P型摻雜的過程中，CdTe源和Te源處于周期性的打開狀態(tài)，而As源一直處于打開狀態(tài)，束流為1015atm－2s－1，Hg源也一直打開，從而加強(qiáng)Hg-As之間的鍵合。生長(zhǎng)完成之后在250℃下退火，As摻雜濃度穩(wěn)定在1017cm－3。［2］

圖1 Raytheon公司n-p-n結(jié)構(gòu)示意圖

從表1中可以看出，Raytheon公司在將HgCdTe雙色材料發(fā)展到一定程度之后沒有一味追求制作大面陣的器件，而是從提高材料性能、節(jié)約成本出發(fā)，降低材料缺陷，發(fā)展Si基襯底。

2.3 DRS

DRS技術(shù)公司的HgCdTe雙色器件可追溯到德克薩斯儀器公司紅外防御集團(tuán)。主要依靠LPE技術(shù)生長(zhǎng) HgCdTe材料，并依靠 HDVIP結(jié)構(gòu)發(fā)展HgCdTe雙色器件。DRS的HgCdTe雙色器件的性能與HDVIP結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。這里，先簡(jiǎn)單描述一下HDVIP結(jié)構(gòu)。

表1 Raytheon公司 HgCdTe雙色材料性能表［2－9］

單色HDVIP器件是將鈍化的HgCdTe薄膜用環(huán)氧樹脂膠合于Si讀出電路上，在HgCdTe薄膜刻蝕通道的過程中把一部分P型HgCdTe轉(zhuǎn)變成N型HgCdTe，同時(shí)形成PN結(jié)。然后將金屬沉積在通道中形成N型區(qū)與讀出電路上的焊點(diǎn)互聯(lián)。簡(jiǎn)單來說，HgCdTe雙色器件就是兩個(gè)單色HDVIP結(jié)構(gòu)的疊加，如圖2所示。單色HDVIP和雙色主要有兩個(gè)不同:①每層HgCdTe上多刻蝕出一個(gè)通道，并且為了互聯(lián)與上一層HgCdTe之間的絕緣，兩層之間需要沉積ZnS;②ZnS抗反膜沉積在結(jié)構(gòu)的最上層，另外一片HgCdTe薄膜用環(huán)氧樹脂膠合在第一個(gè)薄膜的上面。其中一個(gè)通道在上層的HgCdTe薄膜中刻蝕出來，同時(shí)在P型HgCdTe上產(chǎn)生N型區(qū)域。一個(gè)通道一直向下刻蝕到底層絕緣通道的金屬層中。這是為了上一層的HgCdTe能夠互聯(lián)到讀出電路當(dāng)中。另一個(gè)通道沒有實(shí)際作用，只是為了保證上下HgCdTe薄膜的一致性。隨后金屬沉積在上層薄膜的N型區(qū)和讀出電路中形成互聯(lián)。最后在整個(gè)器件表面鍍上一層抗反膜，也就完成了整個(gè)器件的制作［10］。

圖2 雙色HDVIP結(jié)構(gòu)示意圖［10］

由于DRS的器件所用的材料是由LPE生長(zhǎng)得到，HgCdTe材料的最優(yōu)性能取決于CdZnTe襯底的質(zhì)量。CdZnTe襯底的位錯(cuò)密度一般為104～105cm－2，HgCdTe 薄膜的位錯(cuò)密度在 105cm－2。滿足長(zhǎng)波材料在77K工作溫度對(duì)于位錯(cuò)密度小于5×105cm－2的要求。

DRS公司沒有和大部分研究機(jī)構(gòu)一樣，用MBE技術(shù)生長(zhǎng)HgCdTe材料，而是使用LPE技術(shù)，依靠HDVIP結(jié)構(gòu)制作雙色器件。對(duì)于雙色HgCdTe探測(cè)器，材料性能和器件結(jié)構(gòu)同樣重要，缺一不可。目前，DRS公司聲稱其可以依靠HDVIP結(jié)構(gòu)制作三色乃至四色器件。

2.4 Sofradir

就雙色 HgCdTe而言，法國(guó)的主要參與者是CEA-Leti和Sofradir。兩個(gè)機(jī)構(gòu)是合作關(guān)系，CEALeti定期將研究成果移交給Sofradir公司。

CEA-Leti在1998年制成第一批n-p-n結(jié)構(gòu)中波紅外雙色二極管［11］，之后以n-p-p-n結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建HgCdTe雙色紅外焦平面器件［12］。如圖3(a)所示，它可以理解為將兩個(gè)n on p二極管背靠背連接，P型層中間以勢(shì)壘層隔開。通過調(diào)節(jié)正反偏壓，兩個(gè)n on p二極管順序的讀出，這樣也就可以讀出一個(gè)或者兩個(gè)波段的信號(hào)。第一層是In摻雜濃度為1017cm－3的N型層，之后為三層組分不相同的非摻雜P型層。Band 3為組分較大的勢(shì)壘層，其他兩層為吸收層。在Band4表面注入In形成另外一個(gè)PN 結(jié)［13］。

2005年，CEA-Leti為雙色探測(cè)器開發(fā)出準(zhǔn)平面工藝［14］，如圖3(b)中所示。這種新技術(shù)較為簡(jiǎn)單，因?yàn)槠骷Y(jié)構(gòu)由用MBE生長(zhǎng)的簡(jiǎn)單非摻雜三層結(jié)構(gòu)組成，n-p-p-n材料結(jié)構(gòu)相比少了一層N型層，其他生長(zhǎng)過程基本相似，減少了生長(zhǎng)過程中的步驟，提高了材料性能。在兩個(gè)探測(cè)器中采用標(biāo)準(zhǔn)平面離子注入工藝制作二極管。

圖 3 Sofradir雙色 HgCdTe 材料結(jié)構(gòu)剖面圖［12，15－17］

注:*Sofradir于2004年開始使用Ge基制備HgCdTe雙色材料，數(shù)據(jù)常與CdZnTe一起報(bào)道，沒有詳細(xì)數(shù)據(jù)，但可以推測(cè)，Ge基HgCdTe雙色材料性能略低于CdZnTe基。

Sofradir公司制備HgCdTe雙色材料采用的是Riber系列MBE制備系統(tǒng)。Sofradir公司生長(zhǎng)雙色HgCdTe材料主要解決如何控制不同組分的生長(zhǎng)，組分的變化會(huì)導(dǎo)致材料缺陷密度的增加(大部分由Te沉積導(dǎo)致)。通過嚴(yán)格控制生長(zhǎng)不同組分HgCdTe的襯底溫度的方法來解決這個(gè)問題，并且得到了不錯(cuò)的效果。解決了組分變化的問題之后，Sofradir公司開始尋求更大面積和更降低成本的復(fù)合襯底，在這個(gè)過程上，是與美國(guó)Raytheon公司相似的，不過Sofradir公司使用的是他們更加熟悉的Ge作為復(fù)合襯底。

2.5 SELEX

英國(guó)作為HgCdTe材料的發(fā)源地，在HgCdTe技術(shù)方面有著深厚的理論基礎(chǔ)。Selex公司繼承了英國(guó)在HgCdTe方面技術(shù)理論，并于2006年研發(fā)出雙色和三色HgCdTe紅外探測(cè)器件［18］。與主流雙色HgCdTe材料生長(zhǎng)方式不同，Selex公司選擇在(100)GaAs襯底上使用MOVPE的方式生長(zhǎng)HgCdTe。與MBE生長(zhǎng)方式相比，MOVPE具有更高的生長(zhǎng)速率，因此更加提高生產(chǎn)效率和節(jié)省成本。Selex公司MOVPE工藝生長(zhǎng)溫度較高，在350℃以上，與Si基HgCdTe相似，先在300℃溫度下在GaAs襯底上生長(zhǎng)一層CdTe緩沖層，然后再生長(zhǎng)HgCdTe［19］。與Raytheon公司技術(shù)路線相似，Selex選擇n-p-n結(jié)構(gòu)制作HgCdTe雙色器件。不同于Raytheon的In、As雙摻雜，Selex用 I、As雙摻雜，摻雜濃度均為 1017cm－3。如圖4所示。

圖4 SELEX HgCdTe雙色器件結(jié)構(gòu)示意圖

表3列舉了Selex雙色HgCdTe探測(cè)器的主要性能參數(shù)。可以看出，Selex公司MOVPE生長(zhǎng)的HgCdTe雙色探測(cè)器在性能上已經(jīng)不低于MBE生長(zhǎng)的HgCdTe雙色探測(cè)器的性能。

表3 SELEX HgCdTe雙色探測(cè)器［19］

3 結(jié)論

通過總結(jié)國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在HgCdTe雙色材料方面的成就，不難看出，每個(gè)研究機(jī)構(gòu)的HgCdTe雙色材料的發(fā)展是在其HgCdTe單色材料的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)尋求適合自身的技術(shù)路線才是發(fā)展HgCdTe雙色材料正確的道路。材料性能是制備HgCdTe雙色探測(cè)器的首先需要克服的困難，之后還有諸如刻蝕、讀出電路、互聯(lián)等一系列的問題需要解決。發(fā)展HgCdTe雙色探測(cè)器技術(shù)，任重而道遠(yuǎn)。

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