CdZnTe襯底的退火改性技術研究

范葉霞,周振奇,劉江高,李振興,侯曉敏,折偉林,王 叢

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著三代碲鎘汞探測器的技術水平不斷發展,雙多色、長波、甚長波、大面陣、高性能組件對碲鋅鎘襯底的質量要求也越來越高[1-3]。碲鋅鎘作為理想的碲鎘汞外延薄膜襯底材料,對其質量均勻性尤其是夾雜有很高的要求,夾雜作為降低組件性能的主要缺陷之一,其尺寸減小以及消除研究對組件性能提高具有重要意義。進行外延時,作為襯底材料,其第二相夾雜作為體缺陷會延伸到碲鎘汞外延層中,形成相應的外延缺陷,進而嚴重影響到外延膜的質量；其次,第二相夾雜缺陷能夠阻擋碲鎘汞探測器組件的紅外光吸收,從而降低光敏單元對信號的探測效率,進而降低器件的能量分辨率和探測效率。因此,去除掉碲鋅鎘襯底中的第二相夾雜,獲得高質量的碲鋅鎘襯底材料對于提升碲鎘汞紅外探測器的性能具有十分重要的意義。

退火技術是改善碲鋅鎘襯底質量的有效方法之一,國內外對碲鋅鎘晶體退火進行了詳細的研究,西北工業大學、上海技物所、四川大學等研究機構[4-6]對碲鋅鎘晶體的退火研究發現,通過對退火參數如退火溫場、退火源等參數的改進,能夠改善碲鋅鎘襯底的夾雜、紅外透過率、電阻率等,而日本的A.Koyama等人[7]通過改進退火技術,可以獲得襯底中無夾雜的退火實驗結果。為了進一步地提升碲鋅鎘襯底的質量,改善襯底特別是大尺寸襯底中的第二相夾雜和組分分布,需要開展碲鋅鎘襯底退火技術研究。

2 實驗方案

采用改進垂直布里奇曼法生長碲鋅鎘晶體,經切割、研磨和拋光制成碲鋅鎘晶片,將干凈的碲鋅鎘晶片放入自制石英退火安瓿中,真空高溫封接,采用自制的三溫區碲鋅鎘退火爐進行退火,退火源為單質Cd和單質Zn,退火時長為72～144 h不等。退火后,對晶片表面進行拋光,獲得納米級拋光表面。采用傅立葉紅外光譜儀測試晶片的紅外透過率,測試波長范圍為2.5～25μm(波數400cm-1～4000cm-1),采用紅外顯微鏡測量晶片中的第二相夾雜,采用能譜和PL譜測量晶片全片中的Zn組分及組分分布[8]。

3 測試結果及分析

3.1 紅外透過率

退火前后測量的晶體紅外透過光譜如圖1所示。圖1中退火前晶體中的波數較小(波長較長)部分的紅外透過率較低,隨著波數增加(波長變短),紅外透過率逐漸上升到60 %及以上,低的紅外透過率不能滿足高質量碲鎘汞探測器對襯底的高紅外透過需求。

經過退火處理后在波長2.5～25 μm(波數400 cm-1～4000 cm-1)段,晶體的紅外透過率IR≥60 %,如圖1所示,滿足作為碲鎘汞紅外探測器理想襯底的需求。紅外透過率得到改善,這可能是由于退火改善或改變了晶體中的缺陷,導致晶體中特別是長波波段紅光吸收較強的缺陷密度明顯減少,紅外透過率增加。

圖1 退火前后晶片紅外透過率的比較

3.2 第二相夾雜

碲鋅鎘晶體中的第二相夾雜一般指≥1 μm的缺陷,在紅外顯微鏡下可觀察到,典型的夾雜形狀呈六角星形、三角形,及條帶狀等。碲鋅鎘晶體中的第二相夾雜產生,可能由于原料配比失衡、生長溫場不穩定、生長參數不準確所導致。

退火前,采用紅外顯微鏡,200倍下對碲鋅鎘晶片進行全片夾雜觀察,并拍照記錄,常規生長碲鋅鎘晶片中的典型第二相夾雜形貌如圖2所示。

圖2 退火前后第二相夾雜對比

晶片經退火工藝后,采用紅外顯微鏡進行全片觀察及拍照記錄,發現整片晶片中沒有第二相夾雜,第二相夾雜得到完全去除,如圖2所示。第二相去除的機理,可能是由于退火條件下,退火溫場穩定、均勻,碲鋅鎘晶片中的夾雜缺陷一般為單質,熔沸點較低,在穩定溫場下逐漸分解,以熱擴散形式逐漸散布在周圍晶格中,或形成雜質濃度梯度,最終逐步擴散到晶片表面,實現了晶片中無第二相夾雜。

由圖2可見,退火技術可實現碲鋅鎘襯底中紅外顯微鏡下無大于1 μm的第二相夾雜,夾雜缺陷得到極大地改善,襯底性能獲得大幅提升。需要指出的是,如果襯底中存在尺寸過大(>50 μm)且形狀規則的第二相夾雜,退火技術雖然可實現去除第二相夾雜的實驗結果,但晶片中會存在紅外顯微鏡下不可見的退火痕跡,當進行化學腐蝕或化學拋光時,退火痕跡以缺陷的形式重新出現在襯底表面,降低襯底表面質量。這可能是由于第二相夾雜尺寸過大,破壞了周圍晶格的結構,造成晶格損傷,類似于晶格中的小角晶界,然而退火技術無法實現晶格的修復,當進行化學腐蝕或化學拋光時,晶格損傷以缺陷形式顯現。所以,退火技術可實現<50 μm的第二相夾雜去除,但較大尺寸的第二相夾雜仍需以晶體生長技術的配料、溫場和生產參數控制為主。

3.3 組 分

3.3.1 能譜組分分析

高溫退火后,晶片表面微觀形貌多樣,為了更好地分析退火對表面的影響,采用掃描電鏡觀察退火后表面形貌,并利用EDAX能譜對相應的成分進行測量,結果如表1所示。

表1 碲鋅鎘襯底表面能譜測試結果

由以上結果可見,晶片表面的Zn組分值很高,原子比均大于10 at %,遠大于常規工藝中碲鋅鎘襯底的Zn組分值(≈4 at %),這可能是由于在高溫下,退火氣氛中Zn飽和蒸汽壓較大,Zn原子向晶片表面和內部進行劇烈熱擴散,從而導致晶片表面的Zn組分值偏高。

3.3.2 PL譜Zn組分分析

為了驗證能譜測試的結果,采用PL譜進行拋光后1#晶片的全片測試,并計算了Zn組分值及標準偏差,如圖3所示。

(a)退火前

由圖3可見,相對于退火前,晶片中的Zn組分平均值由0.05099升高至0.08502,標準偏差由0.00394降至0.00098,減小為原值的1/4,Zn組分分布非常均勻,但晶片中的Zn組分值偏大,不滿足碲鎘汞外延的需求,分析是由于退火后晶片中的Zn蒸汽壓偏高導致的,因此采取改變退火氣氛中Zn分壓的方法,進行退火實驗,并進行PL譜測試,如圖4(a)所示,同時進行了逐層減薄拋光Zn組分測試,測試結果如圖4(b)所示。

圖4 Zn分壓和襯底減薄厚度對碲鋅鎘襯底中Zn組分的影響

由測試結果可見,通過改變不同的分壓,Zn組分可控制在0.044～0.051范圍內,同時Zn組分的標準偏差約為0.001,如圖5所示,即襯底中的組分均勻性沒有發生改變,仍呈組分高度均勻分布,與未退火晶片的Zn組分標準偏差比較,性能改善非常明顯。通過以上的結果可見,通過退火技術,可實現碲鋅鎘襯底材料的組分可設計性,滿足了碲鎘汞外延膜對碲鋅鎘襯底組分的理想需求。

圖5 退火后晶片與傳統片的Zn組分標準偏差對比圖

4 結 論

經過對碲鋅鎘襯底退火技術的研究發現,退火技術可實現碲鋅鎘襯底中無第二相夾雜,同時晶片的紅外透過率明顯得到改善,達到60 %以上；退火技術還可調節晶片中Zn組分,且同時獲得高一致性的組分均勻分布,通過退火技術,碲鋅鎘襯底的性能獲得極大地提升,襯底質量明顯改善,對大面陣碲鎘汞紅外探測器的性能研究具有十分重要的意義。