長(zhǎng)波碲鎘汞材料As摻雜激活研究

張 舟，陳慧卿，朱西安

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

HgCdTe作為制備紅外焦平面探測(cè)器的首選材料具有禁帶寬度可調(diào)，探測(cè)光譜范圍廣泛，載流子壽命長(zhǎng)，電子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)［1］。由HgCdTe材料制備的紅外探測(cè)器具有超高真空生長(zhǎng)環(huán)境，低溫生長(zhǎng)等特點(diǎn)，在過(guò)去的五十多年中，HgCdTe紅外探測(cè)器在醫(yī)療、生態(tài)、軍事方面等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用［2］。目前已發(fā)展到了第三代紅外焦平面探測(cè)器，器件需要具備更大的焦平面規(guī)模以及紅外多光譜同時(shí)集成的探測(cè)能力［3］，工作重點(diǎn)也從中短波向著長(zhǎng)波轉(zhuǎn)移。長(zhǎng)波紅外探測(cè)器相比中短波傳播距離更長(zhǎng)，探測(cè)范圍更廣［4］，但是長(zhǎng)波探測(cè)器組件相比中短波來(lái)說(shuō)具有較低的動(dòng)態(tài)電阻，較大的暗電流，極大地制約了長(zhǎng)波HgCdTe紅外探測(cè)器的性能。過(guò)去的數(shù)十年中，摻As長(zhǎng)波碲鎘汞材料比同為P型材料的汞空位材料少子壽命更高，暗電流更低而受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為制備長(zhǎng)波紅外焦平面器件的一種新的材料制備技術(shù)。

本文采用N型長(zhǎng)波碲鎘汞材料通過(guò)As離子注入摻雜工藝結(jié)合退火工藝，建立退火條件，對(duì)退火后As激活情況進(jìn)行分析研究并取得了預(yù)期的效果。

2 實(shí)驗(yàn)

采用液相外延技術(shù)在碲鋅鎘襯底材料上外延摻In碲鎘汞材料，形成N型層，其中鎘組分x在0.2～0.25之間，截止波長(zhǎng)約為9.4 μm。載流子濃度為5×1014/cm3～1×1015/cm3，遷移率約為1×105cm2/(V·s)。利用離子注入技術(shù)在材料上注入As離子，砷離子注入的能量為360 keV，劑量為2×1014/cm2。圖1是平面形碲鎘汞P-on-N結(jié)的剖面示意圖。

圖1 碲鎘汞P－on－N結(jié)示意圖

離子注入后將摻As碲鎘汞材料送入石英管進(jìn)行汞氣氛下的退火。整個(gè)退火過(guò)程為高溫退火，高溫退火要求溫度高于400℃，完成砷離子的電激活并消除注入引起的晶格損傷。退火在退火爐中進(jìn)行。退火設(shè)備如圖2所示。利用霍爾測(cè)試的方法，測(cè)量經(jīng)過(guò)退火處理后載流子濃度類型及其濃度和遷移率，通過(guò)二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)試注入后及退火后As離子在碲鎘汞層的濃度分布，初步分析As離子激活情況。

圖2 退火工藝示意圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)As離子是否激活，通過(guò)霍爾測(cè)試的方法，對(duì)比摻As碲鎘汞材料和未摻As碲鎘汞材料在同一高溫退火條件后載流子濃度類型及其濃度和遷移率。

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫退火對(duì)As離子分布的影響

首先研究了碲鎘汞材料在離子注入As離子后，As離子在碲鎘汞材料中的分布濃度及注入深度，如圖3所示。可以看出，As離子的濃度約為1.5×1018/cm3，注入后結(jié)深約為 0.5 μm。

圖3 離子注入后As離子在碲鎘汞材料中的分布

經(jīng)過(guò)高溫退火后，再次研究As離子在碲鎘汞材料中的分布情況，如圖4所示。

圖4 高溫退火As離子在碲鎘汞材料中的分布

測(cè)試結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)高溫退火后As離子結(jié)深約為1 μm。對(duì)比高溫退火前和高溫退火后的兩次SIMS測(cè)試結(jié)果，我們能夠很清楚的發(fā)現(xiàn)，摻As碲鎘汞材料經(jīng)過(guò)高溫退火后，As離子發(fā)生縱向擴(kuò)散，較均勻的分布在表層1 μm范圍內(nèi)。

3.2 確立高溫退火條件，分析As離子激活情況

將高溫退火時(shí)材料處溫度設(shè)定為420℃，改變汞源處溫度及退火時(shí)間，通過(guò)霍爾測(cè)試測(cè)量退火結(jié)果，如表1所示。

表1 不同退火處理?xiàng)l件及測(cè)試結(jié)果

當(dāng)汞源溫度在420℃時(shí)，退火時(shí)間無(wú)論是1 h還是6 h，退火后的材料的類型始終維持為N型不變;當(dāng)汞源溫度達(dá)到530℃，退火管內(nèi)汞蒸汽壓增大至10個(gè)大氣壓時(shí)，碲鎘汞薄膜材料退火后由原來(lái)的n型轉(zhuǎn)為P型，說(shuō)明As開始激活。重復(fù)片號(hào)EX-C1的高溫退火條件，通過(guò)霍爾測(cè)試退火結(jié)果，如表2所示。

表2 同一退火處理?xiàng)l件測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明不同的摻As碲鎘汞材料在此退火條件下導(dǎo)電類型成為P型。從而可以判定在高溫下As激活的目的已經(jīng)初步達(dá)到，確定此條件為高溫退火條件。

為了進(jìn)一步確定退火后的材料P型是由As激活所致，而不是汞空位引起的，對(duì)比摻As碲鎘汞材料和未摻As碲鎘汞材料在同一高溫退火條件后載流子濃度類型及其濃度和遷移率。如表3所示。

表3 霍爾測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過(guò)注入As離子的碲鎘汞材料在相同的高溫退火條件后，導(dǎo)電類型維持N型無(wú)變化。此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明As在材料中已經(jīng)被激活，而且高溫退火后的P型測(cè)試結(jié)果并非是汞空位造成的。

3.3 As摻雜的退火激活研究

As是一種兩性摻雜元素，既可以作為淺施主置于Hg位，又可以作為淺受主置于Te位［5］。在離子注入As后，As很難占據(jù)Te位形成受主從而獲得P型碲鎘汞材料。離子注入后的n型碲鎘汞材料能否獲得P型電學(xué)特性很大程度上依賴于退火方式和退火條件。理論表明，對(duì)于結(jié)構(gòu)相的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)變，應(yīng)力或氣壓的控制乃是重要的和較有效的方法［6－7］。

對(duì)于富碲As摻雜的液相外延材料需要400℃左右的富汞高溫?zé)崽幚聿拍軐?shí)現(xiàn)100%的As受主激活［8］。石英管內(nèi)的汞氣壓隨著退火溫度的升高而增大，退火后部分As會(huì)轉(zhuǎn)化成AsHg－VHg或AsTe受主。測(cè)試結(jié)果顯示，在高汞壓下，As原子占據(jù)Te位的數(shù)量大于占據(jù)汞位的數(shù)量，載流子類型呈現(xiàn)P型，已經(jīng)被激活。在420℃退火溫度下，由于汞原子易于離開汞位而形成汞空位，所以420℃下的汞壓不能抑制汞原子在其格點(diǎn)上，導(dǎo)致部分汞原子逃離其格點(diǎn)，由于Te的能級(jí)要高于Hg的能級(jí)，因此As原子更容易占據(jù)汞位，導(dǎo)致退火后多數(shù)載流子為電子，呈現(xiàn)N型電學(xué)性能。但是當(dāng)汞源溫度為530℃時(shí)，高的汞壓抑制了汞原子的外逃，導(dǎo)致替代Te位的As原子形成的空穴多于替代Hg位形成的電子，使得載流子濃度呈現(xiàn)P型，從而使得As原子激活。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)As摻雜的長(zhǎng)波碲鎘汞材料在汞氣氛中進(jìn)行退火，研究汞壓、溫度及時(shí)間等條件對(duì)碲鎘汞As激活的影響，研究發(fā)現(xiàn)，富汞高溫?zé)崽幚硎菍?shí)現(xiàn)碲鎘汞As激活的關(guān)鍵因素。

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