碲鎘汞激光線刻蝕研究

張 赫, 蔣鴻儒, 潘晨博

(1.上海大學 理學院,上海 200444; 2.中國科學院 上海高等研究院，上海 201210)

0 引 言

碲鎘汞(HgCdTe)材料具有可調帶隙、高探測率以及較高的工作溫度等特點,是紅外探測器的主要材料之一[1-3]。

在碲鎘汞材料合成制造過程中,常通過離子刻蝕等加工方案為材料引入缺陷,其中的部分缺陷可以給材料帶來新的物理特性,這給碲鎘汞材料的器件應用提供了新的研究方向[4-6]。

飛秒激光作為一種先進的加工技術,由于其加工精度高、加工效率快、對材料要求低等優點,在表面加工領域展露出巨大的市場應用前景[7-8]。飛秒激光與物質相互作用時,脈沖持續時間遠小于材料內部受激電子的弛豫時間,因此產生的附加熱效應小,不會破壞材料內部結構。另外,飛秒激光極短的脈寬可以產生極高的光強，從而突破衍射極限。

隨著焦平面陣列器件的發展,其尺寸在不斷減小,這對于有效光敏元的面積尺寸要求越來越高。飛秒激光對碲鎘汞材料加工形成的區域刻蝕,尺寸在微米量級,可以滿足光敏元尺寸的要求[9-11]。因此,將飛秒激光加工技術應用于碲鎘汞材料制備,對于提高碲鎘汞材料品質并完善工藝,制造出優良的焦平面列陣是很有必要的。

本文工作運用激光束誘導電流(laser beam induced current,LBIC)技術對飛秒激光刻蝕區域進行光電流性質探測,試驗發現激光刻蝕孔洞區發生改性,刻線區只有一側產生光電流信號且與激光刻蝕方向有關。這一發現揭示了激光刻蝕與碲鎘汞材料相互作用機理,為飛秒激光加工半導體材料提供了一個有效論證。

1 試驗原理與設備

LBIC是一種高效、非破壞性的用來研究材料空間結構和電活性區域以及缺陷的測試方法[12]。半導體樣品中經常存在電活性缺陷,可以利用LBIC技術確定電活性的雜質、缺陷簇和材料的不均勻性等,還可以利用該技術測試PN結結深、載流子的擴散長度、探測器的品質因子及均勻性等。

LBIC技術具有高分辨、非直接接觸、操作方便的優點,在諸如太陽能電池、光電探測器陣列等光伏器件研究中有著廣泛的應用。

LBIC技術原理示意圖如圖1所示。He-Ne激光聚焦在樣品表面時會激發電子-空穴對。當激光光電照射在孔區邊緣處的PN結界面時,由于內建電場的存在,將電子-空穴對分開,產生光伏電勢,光伏電勢作用在閉合回路形成電流;當光點掃描PN結界面時,會產生最強的LBIC信號;當激光照射點在距耗盡區一個擴散長度的范圍內時,同樣產生光電流信號,其大小與擴散距離有關。

圖1 LBIC技術原理示意圖

因為N區兩側PN結界面處電場強度相反,所以掃描出的整個PN結的LBIC曲線會顯示正負雙峰結構,另外還可以根據信號的大小判斷PN結內建電場的強弱。

試驗所使用的LBIC測量系統示意圖如圖2所示。

試驗光源采用632 nm的He-Ne激光,經過擴束器和20倍的物鏡聚焦在樣品表面。CCD相機可以監控樣品上的光斑尺寸,以最優化聚焦光斑的大小和位置。利用飛秒激光在碲鎘汞樣品上刻蝕出凹槽,聚焦在樣品上的光斑最小可達3 μm。樣品置于低溫杜瓦內,可以在77 K的溫度下進行測量。杜瓦瓶固定在高精度二維平移臺上,通過平移臺的移動,可以實現在樣品表面的二維掃描。所獲得的實驗數據配合SR830鎖相放大器消除背景噪聲后進行采集。

圖2 LBIC測量系統示意圖

2 激光刻蝕碲鎘汞模型

P型碲鎘汞HgCdTe經過激光打孔后會表現出明顯的PN結特性。可以認為激光損傷區的P型HgCdTe材料性質發生變化,由P型轉變成N型。關于P型HgCdTe向N型轉換的原因目前尚無定論,目前主流的觀點是HgCdTe受到飛秒激光刻蝕作用,Hg—Te化學鍵在脈沖激光輻照下斷裂,自由的Hg原子向四周擴散,使得輻照區Hg空位P型HgCdTe材料表層轉換為Hg填隙N型HgCdTe。

在這種情形下，飛秒激光對P型HgCdTe進行打孔刻蝕后,孔的邊緣區被誘導產生反型。該反型區與其外圍的P型HgCdTe基底形成PN結。飛秒激光刻蝕碲鎘汞模型如圖3所示。

圖3 飛秒激光刻蝕碲鎘汞模型

3 試驗結果與討論

使用飛秒激光對HgCdTe刻蝕了3條刻線,刻線寬度為20 μm。光學顯微鏡下的刻線形貌照片如圖4a所示。其中,刻線a和刻線c的激光刻蝕方向為從上到下方向,刻線b的激光刻蝕方向為從下到上方向。

沿著水平方向對刻線進行LBIC線掃描操作,鎖相放大器直接測量光生電流信號,每條刻線進行從左到右的2次掃描操作,LBIC掃描結果如圖4所示。

從圖4可以看出,LBIC掃描信號的峰形表現出明顯的方向性,刻線兩側的光電流信號存在明顯差異。

圖4 刻線形貌及LBIC掃描結果

文獻[7]發現飛秒激光脈沖數目的大小會對P型碲鎘汞激光打孔成結效果產生影響。實驗得到不同脈沖數目的打孔結果，如圖5所示。

從圖5可以看出：1 ms脈沖數下的刻蝕孔半徑較小,所對應PN結的LBIC信號呈現中心對稱的雙峰結構；隨著飛秒激光脈沖數目的增加,100 ms脈沖數條件下飛秒激光刻蝕孔半徑顯著增大,且打孔成結效果逐漸消失。這說明飛秒激光刻蝕脈沖數的大小會影響成結效果。

本次實驗獲得的結果與上述結果吻合。當飛秒激光與碲鎘汞材料進行線刻蝕操作時,激光與材料相互作用的脈沖時間更長,在刻蝕過程中引入了大量缺陷。使得LBIC信號產生了明顯的偏移,導致圖4中LBIC信號出現正向電流很強而負向電流幾乎消失的現象,該現象正是PN結特性已經被嚴重破壞的體現。相關研究發現,若碲鎘汞材料內部存在大量的空位、線位錯等材料缺陷,由于這些缺陷的存在會導致碲鎘汞光伏探測器無法正常工作,而同時一些缺陷還會引入漏電路徑,該漏電路徑會導致LBIC信號出現沿y軸方向的偏移,從而形成負向信號幾乎消失的不對稱分布。而激光刻蝕的方向性可能與激光加工時的光斑能量分布有關,該現象和機理有待進一步研究。

4 結 論

碲鎘汞HgCdTe的飛秒激光刻蝕是目前碲鎘汞材料應用的熱點之一，目前已有研究發現飛秒激光對碲鎘汞的線刻蝕會形成周期性表面微結構。在此研究的基礎之上,本文探究了刻蝕區的電學性質,發現刻蝕結構左、右兩側的電學性質存在差異,表明線刻蝕會破壞碲鎘汞材料的PN結特性,從而產生負向信號幾乎消失的不對稱LBIC信號分布。

本文研究結果對碲鎘汞紅外探測器的研究具有潛在的應用價值。