材料形貌對(duì)碲鎘汞紅外焦平面器件性能的影響

陳書(shū)真，祁嬌嬌，王 丹，程 杰，高 華，何 斌

材料形貌對(duì)碲鎘汞紅外焦平面器件性能的影響

陳書(shū)真，祁嬌嬌，王 丹，程 杰，高 華，何 斌

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015）

碲鎘汞材料表面的粗糙度對(duì)鈍化膜層的質(zhì)量、接觸孔的光刻與刻蝕都有著顯著的影響，研究其表面的粗糙度對(duì)器件性能的影響具有重要意義。在本文中，我們分別研究了碲鎘汞的小平面形貌和臺(tái)階形貌對(duì)器件性能的影響，以及不同表面粗糙度的碲鎘汞材料對(duì)器件制備工藝和最終性能的影響。研究表明，隨著材料表面粗糙度的增加，鈍化層的質(zhì)量下降，接觸孔的均勻性下降，且接觸孔的形貌變差，-性能下降，最終導(dǎo)致器件的響應(yīng)非均勻性增加，盲元數(shù)增加。

碲鎘汞；生長(zhǎng)臺(tái)階；粗糙度；盲元率；零偏阻抗；響應(yīng)非均勻性

0 引言

碲鎘汞由于其強(qiáng)大的紅外吸收，可調(diào)節(jié)的波長(zhǎng)靈敏度以及良好的半導(dǎo)體性能，幾乎是紅外探測(cè)器應(yīng)用的理想材料。碲鎘汞材料的質(zhì)量是好器件的基礎(chǔ)和保證。表面形貌是衡量外延材料質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1]。襯底晶向?qū)σ合嗤庋颖砻嫘蚊驳挠绊憴C(jī)理如圖1[1]所示（為了更清晰地展示機(jī)理，圖中細(xì)節(jié)做了放大處理）。采用液相外延的方法在碲鋅鎘的（111）面上生長(zhǎng)碲鎘汞薄膜。其中碲鋅鎘襯底的晶向直接決定著碲鎘汞的表面形貌。當(dāng)襯底晶向?yàn)椋?11）晶向，且無(wú)偏差時(shí)，碲鎘汞外延層的表面呈原子級(jí)平面，既無(wú)小平面也無(wú)臺(tái)階；當(dāng)碲鋅鎘的晶向偏差＜0.1°時(shí)，碲鎘汞外延層的表面由許多個(gè)（111）晶向的小平面組成；當(dāng)晶向偏角為0.1°～2°時(shí)，碲鎘汞外延層的表面形貌呈臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，且偏離程度越大，生長(zhǎng)臺(tái)階變的越致密，并且生長(zhǎng)模式變?yōu)榕_(tái)階聚集模式。這意味著生長(zhǎng)原子很容易積聚在（111）晶面臺(tái)階上，并且膜可以逐層生長(zhǎng)以穩(wěn)定地再現(xiàn)臺(tái)階形態(tài)而沒(méi)有應(yīng)力積累，因此臺(tái)階狀生長(zhǎng)并不會(huì)引入更多的材料缺陷及位錯(cuò)密度。當(dāng)晶向偏角＞2°時(shí)，臺(tái)階又將消失[1-3]。

根據(jù)以上理論可知，雖然臺(tái)階形貌不會(huì)影響碲鎘汞材料的晶體質(zhì)量，但卻會(huì)對(duì)器件工藝提出更多挑戰(zhàn)，例如鈍化、光刻、刻蝕等工藝。材料表面粗糙度與器件的表面狀態(tài)有關(guān)，尤其會(huì)影響CdTe/ZnS的鈍化效果，并最終影響器件的表面漏電流和光學(xué)信號(hào)的傳輸特性。因此本文將對(duì)粗糙度對(duì)器件性能影響進(jìn)行研究。

圖1 襯底晶向影響液相外延表面形貌的示意圖[1]

1 實(shí)驗(yàn)

不同粗糙度的材料以完全相同的器件工藝進(jìn)行流片。器件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在器件制備過(guò)程中，使用白光干涉儀測(cè)試液相外延HgCdTe材料的形貌及表面粗糙度。使用共聚焦顯微鏡分別測(cè)試樣品a、b、c、d、e、f的接觸孔的尺寸，深度。每個(gè)樣品均勻地隨機(jī)選取測(cè)試11個(gè)點(diǎn)。使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）分別測(cè)試樣品a、b、c、d、e、f的孔底形貌。使用半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試器件的-曲線及-曲線。使用紅外焦平面參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

圖2 碲鎘汞焦平面器件的結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 材料形貌及對(duì)接觸孔刻蝕均勻性的影響

材料形貌的顯微圖片如圖3所示。從圖3中可以看出，樣品a、b、c屬于小平面形貌，說(shuō)明襯底的晶向偏差＜0.1°，且粗糙度逐漸增加，分別為2.773nm，17.78nm，43.13nm，樣品d、e、f屬于臺(tái)階形貌，說(shuō)明襯底的晶向偏差0.1°～2°，樣片表面粗糙度逐漸增加，分別為14.31nm，65.18nm，111.01nm。其中樣品b和d的粗糙度接近。

圖3 樣品a、b、c、d、e和f的材料形貌顯微照片

使用共聚焦顯微鏡分別測(cè)試樣品a、b、c、d、e、f的接觸孔的尺寸，深度如圖4所示。從圖4可以看出，樣品a的接觸孔尺寸和深度的非均勻性最好，隨著材料表面粗糙度的增加，接觸孔尺寸和深度的非均勻性逐漸增加。如表1所示，樣品a的接觸孔平均尺寸為3.84mm，平均深度為0.78mm，最接近接觸孔設(shè)計(jì)尺寸4.0mm和最佳接觸孔深度0.8mm，隨著樣品粗糙度的增加，接觸孔的平均尺寸和平均深度均減小，粗糙度最大的樣品f的接觸孔尺寸減小到2.97mm和0.59mm。孔底形貌如圖5所示，樣品a的接觸孔孔底側(cè)壁陡直性非常好，且孔底平滑無(wú)生成物。樣品b和d的側(cè)壁陡直性較好，但是孔底形貌粗糙，有細(xì)小顆粒生成物。隨著樣品表面粗糙度的增加，孔底生成物逐漸增多，且側(cè)壁也逐漸粗糙。樣品f的接觸孔孔底有較多、較大顆粒的生成物。

這是由于材料表面的粗糙度會(huì)影響不同區(qū)域光刻膠的厚度，在山谷或者臺(tái)階處光刻膠厚度較厚，在后續(xù)接觸孔顯影的過(guò)程中，相同的顯影條件下，光刻膠較厚的地方易顯影不充分，最終導(dǎo)致光刻接觸孔尺寸較小，從而影響光刻接觸孔尺寸的均勻性。

在接觸孔刻蝕的過(guò)程中，刻蝕劑不斷與碲鎘汞材料進(jìn)行反應(yīng)，該過(guò)程不斷有生成物生成。當(dāng)接觸孔尺寸較小時(shí)，刻蝕劑不能順利進(jìn)入，反應(yīng)后的生成物也不能及時(shí)從刻蝕圖形表面排出，就會(huì)聚積在圖形表面附近，甚至?xí)匦鲁练e在圖形上。由于生成物一般不能與反應(yīng)氣體繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，聚積在圖形表面會(huì)阻止刻蝕過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，影響刻蝕形貌和速率。這些刻蝕生成物一般為聚合物，殘留在器件接觸孔里會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能，成品率及穩(wěn)定性[4-5]。

從以上的分析中發(fā)現(xiàn)，材料表面粗糙度影響接觸孔尺寸、深度、形貌非均勻性的主要原因?yàn)椋?/p>

1）材料表面的粗糙度會(huì)導(dǎo)致鈍化膜層的厚度不均勻，最終導(dǎo)致接觸孔刻蝕深度不均勻。

圖4 樣品a、b、c、d、e和f接觸孔的尺寸與深度的非均勻性

表1 樣品粗糙度與接觸孔相關(guān)參數(shù)和器件響應(yīng)非均勻性的關(guān)系

圖5 樣品a、b、c、d、e和f接觸孔的SEM形貌圖

2）材料表面粗糙度會(huì)極大地影響接觸孔的光刻及刻蝕后接觸孔的質(zhì)量。當(dāng)材料表面粗糙度較大，部分區(qū)域光刻膠較厚，膠厚的區(qū)域易使得光刻圖形失真，最終導(dǎo)致部分接觸孔的尺寸較小。后續(xù)接觸孔刻蝕工藝中，在使用同樣的刻蝕條件下，小尺寸接觸孔的刻蝕生成物輸出較為困難，導(dǎo)致刻蝕生成物較多，刻蝕速率較慢，從而使得接觸孔深度較小，孔底形貌變差。

3）厚的光刻膠邊緣會(huì)因?yàn)楦邷厥湛s而變傾斜，從而導(dǎo)致接觸孔不再陡直[6]。從而使得電極有效接觸面積不同，接觸電阻不同，最終會(huì)影響器件響應(yīng)非均勻性。

2.2 材料形貌對(duì)碲鎘汞器件I-V與R-V曲線的影響

使用半導(dǎo)體參數(shù)儀對(duì)碲鎘汞器件的電學(xué)性能進(jìn)行表征。得到了在77K溫度下碲鎘汞紅外探測(cè)器的-與-曲線（加載電壓范圍為－500～100mV）。如圖6所示，對(duì)于樣品a和樣品b，反向平坦區(qū)為－500mV，零偏阻抗分別為140MW和71MW，樣品c的反向平坦區(qū)為150mV，零偏阻抗為8.21MW，樣品d的反向平坦區(qū)為370mV，零偏阻抗為62MW，樣品e的反向平坦區(qū)為180mV，零偏阻抗為2.47MW。樣片f的-曲線沒(méi)有反向平坦區(qū)，零偏阻抗達(dá)到最小值，為0.567MW。由以上結(jié)果可知，隨著材料粗糙度的增加，器件-曲線的反向平坦區(qū)逐漸減小，零偏阻抗也逐漸減小。具體原因分析如下：

零偏阻抗面積乘積（0）是衡量探測(cè)器性能的重要指標(biāo)，而決定結(jié)特性好壞和0值大小的是p-n結(jié)的暗電流機(jī)制[7]。光伏器件的暗電流歸納起來(lái)主要有以下幾種：擴(kuò)散電流、產(chǎn)生-復(fù)合（g-r）電流、陷阱輔助隧穿電流、帶間隧穿和表面漏電電流[8-14]。根據(jù)之前的分析，碲鎘汞原子可以逐層生長(zhǎng)以穩(wěn)定地再現(xiàn)臺(tái)階形態(tài)而沒(méi)有應(yīng)力積累，因此臺(tái)階狀生長(zhǎng)并不會(huì)引入更多的材料缺陷及位錯(cuò)密度。為了驗(yàn)證這一理論，更精確的暗電流分析，我們選取樣品a和f，進(jìn)行位錯(cuò)腐蝕。位錯(cuò)腐蝕圖如圖7所示（放大倍數(shù)為500倍）。從圖中可知，樣品a和f的位錯(cuò)密度相似，分別為：1.19×105cm－2和1.8×105cm－2，這表明臺(tái)階狀形貌不會(huì)引入過(guò)多的材料缺陷或者位錯(cuò)密度。因此，影響器件暗電流水平的是器件的制備工藝，而與材料無(wú)關(guān)。

另外，樣品a、b、c、d、e和f是以完全相同的器件工藝條件制備的。因此，樣品a、b、c、d、e和f的擴(kuò)散電流、產(chǎn)生-復(fù)合（g-r）電流、陷阱輔助隧穿電流、帶間隧穿應(yīng)該是一致的。但是由于粗糙度鈍化質(zhì)量的影響很大，因此現(xiàn)有的工藝條件下，表面漏電是影響器件（a～f）-曲線變化的關(guān)鍵因素。而鈍化質(zhì)量的好壞直接決定了表面漏電的嚴(yán)重程度，從而決定著器件的-及-特性[15-16]。

圖6 樣品a、b、c、d、e和f的I-V和R-V曲線

圖7 樣品a和f的位錯(cuò)腐蝕圖

本次實(shí)驗(yàn)中，碲鎘汞器件采用CdTe/ZnS薄膜雙層鈍化，鈍化膜層的生長(zhǎng)的質(zhì)量會(huì)受到多種因素的影響，包括碲鎘汞的表面粗糙度，鈍化膜層與碲鎘汞的粘附系數(shù)，碲鎘汞與鈍化膜層之間熱膨脹系數(shù)（CTE）的差異以及鈍化膜的厚度等。本文中，我們只研究HgCdTe表面粗糙度對(duì)CdTe/ZnS鈍化層的影響。表面粗糙度對(duì)薄膜的影響主要有擴(kuò)散效應(yīng)、陰影效應(yīng)和再發(fā)射效應(yīng)（ZnS的粘性非常低）。其中擴(kuò)散效應(yīng)的機(jī)理為：濺射出來(lái)的ZnS原子由于保留了足夠的能量以維持在表面上的擴(kuò)散，一部分吸附原子在凝聚過(guò)程中所獲得的動(dòng)能足夠這個(gè)原子從初次接觸點(diǎn)跳過(guò)幾個(gè)晶格位點(diǎn)，一部分再蒸發(fā)，一部分落入勢(shì)能谷底，被表面吸附，最終凝結(jié)在襯底表面。陰影效應(yīng)的機(jī)理為：襯底表面上較高的區(qū)域會(huì)阻止濺射原子到達(dá)表面上較低的區(qū)域。濺射沉積過(guò)程中，濺射出的原子具有角度分布，因此陰影效應(yīng)是活躍的。這將導(dǎo)致襯底表面上山丘處的鈍化層薄膜以襯底表面上山谷處的鈍化層薄膜為代價(jià)生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致襯底表面上山丘和山谷處之間的ZnS粒子通量的競(jìng)爭(zhēng)。這種競(jìng)爭(zhēng)最終會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的丘狀表面，因?yàn)樯焦忍幊练e的ZnS粒子很少或者沒(méi)有。再發(fā)射效應(yīng)為：由于陰影效應(yīng)而形成的山丘可能會(huì)因沉積過(guò)程中ZnS粒子的重新發(fā)射而受到阻礙。再發(fā)射效應(yīng)允許粒子在它們沉積到襯底表面上的適當(dāng)位置之前“反彈”。重新發(fā)射的粒子用于改變?nèi)肷湓谝r底表面上的整體ZnS粒子通量，從而使得先前被遮蔽的山谷處有ZnS粒子沉積。陰影效應(yīng)和再發(fā)射效應(yīng)示意圖如圖8所示[17-18]。

圖8 陰影效應(yīng)和再發(fā)射效應(yīng)機(jī)理[17-18]

通過(guò)以上分析可知，擴(kuò)散效應(yīng)和再發(fā)射效應(yīng)會(huì)使得薄膜表面趨于平滑，而陰影效應(yīng)則使薄膜表面趨于粗糙。所以，薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程就是平滑機(jī)制與粗糙機(jī)制之間的競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于小平面形貌，擴(kuò)散效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)[17-18]。對(duì)于臺(tái)階形貌，再發(fā)射效應(yīng)和陰影效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，陰影效應(yīng)使得臺(tái)階側(cè)邊原子不易被鈍化，而由于碲鎘汞表面Hg-Te鍵較弱，所以決定了濺射原子能量不能較高，因此再發(fā)射效應(yīng)也被限制，因而鈍化原子也不能反復(fù)再發(fā)射而導(dǎo)致死角部分原子不能被鈍化。另外一方面，粗糙度不僅影響鈍化層的致密性，也使得HgCdTe表面的比表面積相對(duì)較大，裸露的表面原子數(shù)目也較多，增加了材料表面的懸掛鍵，最終會(huì)導(dǎo)致表面固定電荷或者界面態(tài)較多，在帶隙中更易引入復(fù)合能級(jí)，使得器件暗電流增大，阻抗降低。因此粗糙度為0.3nm的樣品a表面，擴(kuò)散效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，原子更易于遷移、聚集，形成更為致密的鈍化層薄膜，鈍化效果越好，因此對(duì)于樣品a制成的器件的零偏阻抗最高，為171MΩ。對(duì)于粗糙度為17.789nm和14.317nm的樣品b和d，陰影效應(yīng)占主導(dǎo)作用，鈍化原子會(huì)傾向于沉積在山丘上，且山丘的存在不利于原子的遷移與聚集，因此鈍化層薄膜的致密性較樣品a相比較差，因此樣品b和d的零偏阻抗分別減小為71MΩ和62MΩ，但是由于沉積在山丘上需要額外的能壘，因此部分原子會(huì)逐漸移向山谷間，最終導(dǎo)致鈍化層總體來(lái)說(shuō)還算較為致密。隨著表面粗糙度的進(jìn)一步增加，對(duì)于c，平均43.131nm的粗糙度，鈍化原子會(huì)直接沉積在山谷間，且較高、較密集的山丘完全阻礙了鈍化原子的遷移與聚集，導(dǎo)致鈍化膜層的致密性進(jìn)一步下降，使得器件零偏阻抗下降至8.21MΩ。隨著臺(tái)階高度越來(lái)越高，例如e、f（臺(tái)階高度0.3mm），臺(tái)階高度完全阻礙了原子的遷移與聚集，最終影響鈍化膜層的致密度，更有甚者，臺(tái)階與臺(tái)階之間形成“死角”，即使ZnS的粘附系數(shù)很低，可以再發(fā)射。但是由于臺(tái)階太重，一次再發(fā)射之后，粒子能量已經(jīng)消耗殆盡，不能進(jìn)行再次發(fā)射。因此，粒子的能量并不足以使其運(yùn)動(dòng)到死角位置，因此鈍化的效果變差，器件零偏阻抗降低至0.5MΩ。

0.3nm擴(kuò)散效應(yīng)占主導(dǎo)因素，能形成更致密的鈍化層薄膜。隨著粗糙度增加至17.78nm，陰影效應(yīng)占主導(dǎo)因素，鈍化膜生長(zhǎng)過(guò)程中，被濺射粒子更傾向于沉積在山丘頂端，但是由于山丘需要額外的能壘，因此部分原子會(huì)沉積在山谷間，薄膜的致密性雖較差，但總體還算致密。隨著薄膜的粗糙度的進(jìn)一步增加，原子會(huì)直接沉積在谷底，由于臺(tái)階高度一度達(dá)到了0.3mm，鈍化層原子不能完全覆蓋碲鎘汞，因此表面漏電增加。

2.3 粗糙度對(duì)碲鎘汞器件性能的影響

用紅外焦平面參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)器件的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，碲鎘汞器件的盲元圖如圖9所示。對(duì)于小平面形貌來(lái)說(shuō)，樣品a、b、c的盲元率隨著樣品粗糙度的增加由0.15%增加至1.26%，響應(yīng)非均勻性由2.97%增加至7.78%。對(duì)于臺(tái)階形貌來(lái)說(shuō)，樣品b、c、d的盲元率隨著樣品粗糙度的增加由0.64%增加至3.04%，響應(yīng)非均勻性由3.71%增加至15.25%。且所有樣品的盲元均以過(guò)熱盲元為主。

根據(jù)以上分析，材料表面的粗糙度對(duì)器件影響最大的主要是鈍化層質(zhì)量，接觸孔光刻及刻蝕，其中，較大的樣品表面粗糙度所導(dǎo)致的接觸孔尺寸、深度、形貌、陡直性的不均勻，均會(huì)導(dǎo)致電極接觸面積的不同，從而使得接觸電阻不同，最終導(dǎo)致器件響應(yīng)非均勻性較高。如表2所示，器件a～f的響應(yīng)非均勻性隨著樣品表面粗糙度的增加而增加。另外，如2.2分析可知，較大的樣品表面粗糙度會(huì)導(dǎo)致鈍化層質(zhì)量較差，暗電流較大，從而噪聲過(guò)大，最終形成過(guò)熱盲元。因此如圖9所示，隨著樣品表面粗糙度的增加，器件的盲元率也逐漸增加，且主要以過(guò)熱盲元為主。

圖9 樣品a、b、c、d、e、f的盲元圖

表2 樣品a、b、c、d、e和f的粗糙度、盲元率和響應(yīng)非均勻性

3 結(jié)論

詳細(xì)分析了材料表面形貌對(duì)鈍化質(zhì)量、對(duì)接觸孔光刻工藝、刻蝕工藝的影響，最終導(dǎo)致對(duì)器件性能的影響。隨著材料表面粗糙度由2.7nm增加到111.0nm，器件的零偏阻抗由140MΩ降低至0.56MΩ，器件盲元率由樣品a的0.15%增加到樣品f的3.04%，響應(yīng)非均勻性由2.97%增加到15.25%。由樣品a和f判斷出，臺(tái)階狀形貌不會(huì)在材料內(nèi)部引入更多的缺陷和位錯(cuò)。影響器件性能的主要原因是材料表面粗糙度。另外，本文為器件制備之前的材料挑選提供了參考，根前文對(duì)器件性能的分析可知，表面粗糙度在17.7nm以下的材料可以制得性能較好的紅外探測(cè)器。此外，在下一步工作中，我們著重探索無(wú)損降低材料表面粗糙度的工藝，和側(cè)壁鈍化的工藝。

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Effect of Material Morphology on the Performance of HgCdTe Infrared Focal Plane Devices

CHEN Shuzhen，QI Jiaojiao，WANG Dan，CHENG Jie，GAO Hua，HE Bin

(,100015,)

The roughness of material surfaces has a significant impact on the quality of passivation films and the lithography and etching of contact holes.Therefore, studying the influence of the surface roughness of materials on the performance of HgCdTe infrared focal plane devices’ is important.In this study, we separately evaluated the influence of the facet morphology and step morphology of mercury cadmium telluride on the performance of the device and the influence of mercury cadmium telluride materials with different surface roughness on the preparation process and final performance of the device.Studies have shown that as the surface roughness of the materials increases, the quality of the passivation layers decreases, uniformity of the contact holes decreases, morphology of the contact holes deteriorates, and-performance is degraded, eventually leading to an increase in the non-uniformity of the device responses and an increase in the blind pixel rate.

mercury cadmium telluride, growth step, roughness, blind pixel rate, zero bias impedance, response non-uniformity

TN213

A

1001-8891(2022)10-1033-08

2021-06-26；

2021-08-10.

陳書(shū)真（1994-）女，碩士，助理工程師，主要研究方向：碲鎘汞紅外探測(cè)器芯片制備。E-mail：18801392275@139.com。