抑制In元素在CdTe中的退火擴散

王 叢,王文燕,周 朋,趙 超,段建春,周立慶

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 背 景

隨著三代器件的發展,大面陣和雙多色成為未來發展的兩大分支。HgCdTe薄膜材料是制備高性能紅外焦平面探測器的優選材料,在大面陣和雙多色方面均具有優勢。傳統HgCdTe薄膜主要以CdZnTe單晶材料為襯底,由于大尺寸CdZnTe單晶材料生長的困難,大面積且鋅值組分均勻的CdZnTe襯底難以獲得(<50 cm2),另外CdZnTe襯底可加工性、CdZnTe襯底與Si讀出電路熱膨脹匹配性等原因[1],不僅造成HgCdTe紅外焦平面器件的成本非常高,而且也難以制備出高性能的大面陣器件；而作為優勢替代襯底Si基材料,在大面陣方面具有先天優勢,但由于Si材料和外延膜之間存在大的晶格失配(19%)導致位錯密度難以降低(>106cm2)[2],因此其應用只能局限在中短波范圍,長波范圍的應用進展并不理想。因此尋找和開發替代襯底材料的研究工作一直貫穿于HgCdTe紅外焦平面技術發展的過程中。

InSb基復合襯底具有以下優勢：①晶格常數和HgCdTe很接近；②熱膨脹系數和HgCdTe很接近；③可以獲得HgCdTe/InSb位錯密度比HgCdTe/Si低得多；④商業生產的體晶InSb可以達到4 in以上(成本約為CdZnTe的1/10[3])；⑤不存在CdZnTe中常見的Te沉淀/夾雜以及磨拋缺陷。因此,InSb是一種比較理想的HgCdTe外延襯底材料。

雖然InSb材料襯底的晶格常數幾乎和HgCdTe完全匹配,但由于In元素在高溫情況下容易產生擴散,給后續生長HgCdTe薄膜的帶來污染和摻雜不可控性。雖然使用MBE方法可以低溫外延材料,在材料生長階段能夠較為有效的抑制In元素的擴散。在其后的器件工藝中不可避免的要使用高溫退火等工藝,使得In元素的擴散問題變得突出。

本文中我們使用分子束外延的方法獲得CdTe/InSb材料,并在特定的退火工藝條件下研究了In元素在材料中的擴散現象。在獲得的材料上,我們通過使用鈍化SiO2的方法對材料的正反兩面進行了保護,阻擋了部分In的擴散,對控制In在材料中的擴散起到積極作用。

2 實 驗

分子束外延實驗所用MBE設備為芬蘭DCA公司生產P600 MBE外延系統,采用的InSb晶圓為本研究部門自制的InSb(211)B襯底材料。在進行外延之前使用CP4溶液進行腐蝕處理,載入MBE系統進行表面氧化層的脫附。在Sb束流的保護下,InSb襯底被加熱到～550 ℃去除氧化層,之后外延InSb緩沖層平滑表面,該過程使用RHEED進行在線監控。氧化層脫附后的襯底進入II-VI腔室進行CdTe材料的外延,該過程使用單一的CdTe源在296 ℃條件下恒溫外延3～4 μm厚的材料。獲得的材料被劃片成10 mm×10 mm的退火樣片,部分樣片經過鈍化處理,在正面或反面鈍化200 nm的SiO2保護層,真空封管后進行退火處理。

樣品在EAG Laboratories實驗室使用SIMS進行元素測試,觀察In在材料中的擴散現象。

圖1 InSb熱脫附RHEED圖樣Fig.1 Fig. 1 RHEED pattern of InSb thermal desorption

圖2 材料鈍化結構示意圖Fig.2 Structual representation of passive film

3 實驗測試結果及分析

為退火樣品的In元素SIMS測試結果。圖3中#1樣品是原生片,#2是表面未做鈍化保護的樣品,#3是正面鈍化的樣品,#4是背面鈍化的樣品。材料表面的鈍化保護層是使用磁控濺射的方法在材料表面生長一層約200 nm厚的SiO2保護層,用以防止退火過程中In元素向環境中蒸發擴散。

圖3 退火樣品In元素SIMS測試結果 (#1原生片#2未鈍化樣品#3正面鈍化樣品#4背面鈍化樣品)Fig.3 SIMS results of annealing samples (#1 As-grown #2 no passive film #3 passivation on the front #4 passivation on the back)

從圖3上可以明顯看出In元素在#1樣品中呈現V字形擴散形態。造成右側的上傾曲線的原因是襯底與外延層界面處發生了明顯的In元素擴散的現象,在CdTe層的阻擋作用下,隨著CdTe厚度的增加In的擴散量逐漸減少,基本控制在1 μm厚度左右。左側的上傾曲線形成是材料表面在外延過程中富集的In元素向襯底內部進行的擴散導致。

實驗后的樣品經過EAG實驗室的SIMS測試,測試結果如圖3所示,樣品見如下描述,#3 正面鈍化樣品 #4 背面鈍化樣品 1#原生片 2#未鈍化樣品(1#,2#材料結構圖見實驗方法部分)。該樣品由外延材料CP30-68制備,該外延材料除CdTe層略厚之外(外延控制能力導致外延膜厚無法完全一致),其余與CP30-56完全相同。

對1#樣品結果分析可得,材料表面有“富In”層,約1 μm厚。In元素的濃度比襯底層低2～3個量級。材料之內濃度保持在Low-1015Atoms/cm3,接近測試限,In元素含量極低。

對于3#和4#樣品,測試的結果非常相近。總體上看是一傾斜的V型,濃度最底部約1×1015Atoms/cm3。相對原生片略有提高,但對比原生片相同位置的In元素濃度,幾乎沒有變化,所以可以認定,原生樣品表面聚集In元素在現有的退火條件下幾乎不發生擴散。這對后續的外延是一個有利因素。In元素的擴散可以認定是完全由襯底向外延層擴散形成。擴散深度可達3 μm左右。對擴散部分進行數據擬合可得y= 4×1013e3.3408x。我們初步可以認定3 μm后的外延層可以阻擋In元素的擴散。與實驗①的結果對比來看,明顯可以得出,在退火的條件下,襯底背面的In元素經過環境污染材料的表面。表面大濃度的In元素幾乎形成和襯底一樣的擴散效果,材料內部最低的In元素濃度也達到了Mid-1016Atoms/cm3,比增加保護的樣品高于1.5個量級。

測試結果表明,實驗①樣品In元素的擴散確實來自于兩個方面,一是襯底經過與外延材料的界面處向外延層進行擴散,二是在高溫環境中襯底內的In元素向環境中蒸發,污染外延材料的表面,通過表面向材料內部擴散。對比實驗②的結果,我們可以看出,退火過程中In元素在表面的向內部的擴散幾乎完全是由于環境污染的因素造成,外延形成的In元素集聚本身濃度不高,在現有的條件下幾乎不發生擴散。

4 實驗結論

通過以上兩組實驗我們發現,外延的樣品在表面發生In元素集聚現象,更大的可能性是背面蒸發的In元素污染表面,接下來可以經過背面貼片的方式進行對比驗證。在退火的過程中,材料表面的In元素由于濃度較低的緣故幾乎不發生擴散。而在襯底與外延層界面處的高濃度的In元素在熱驅動下向外延層擴散,擴散深度可達3 μm左右。如外延材料表面或是襯底背面沒有保護的情況下,退火的高溫會導致襯底背面蒸發大量的In元素,通過環境污染材料表面,導致表面In元素保持在較高的濃度值,向材料內部進行擴散,形成V字形。