分子束外延HgTe/CdTe超晶格工藝研究

高 達(dá),李 震,賀 融,王 丹,邢偉榮,王 叢,折偉林

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015;2.重慶嘉陵華光光電科技有限公司,重慶 400700)

1 引 言

碲鎘汞材料具有截止波長在紅外波段內(nèi)可調(diào)節(jié)、光學(xué)吸收系數(shù)高、量子效率高等特點(diǎn),是重要的紅外探測器應(yīng)用材料之一[1]。近年來分子束外延生長碲鎘汞技術(shù)的快速發(fā)展,使用分子束外延制備高性能、多色紅外焦平面列陣探測器引起了人們的廣泛關(guān)注。為了滿足高性能、雙多色紅外焦平面器件制備的要求,需要對碲鎘汞p型摻雜與激活進(jìn)行專項(xiàng)研究。使用分子束外延方法直接在碲鎘汞工藝中進(jìn)行摻雜,As很難占據(jù)Te位,一般作為間隙原子或者占據(jù)金屬位,因此原生的碲鎘汞常表現(xiàn)為n型導(dǎo)電[2-3]。只有經(jīng)過高溫激活,將As原子激活至非金屬位(Te原子位置),才能起到受主的作用,使碲鎘汞材料表現(xiàn)為p型導(dǎo)電。

傳統(tǒng)的As摻雜激活方式為采用350 ℃以上的高溫、在汞飽和條件下對碲鎘汞材料進(jìn)行退火,易引起碲鎘汞表面狀態(tài)惡化,從而影響后續(xù)器件性能;其次,高溫退火會(huì)引起材料內(nèi)原子劇烈的互擴(kuò)散,使具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多層異質(zhì)外延碲鎘汞材料失效。如圖1所示,原位摻雜的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)p-on-n材料在經(jīng)過400 ℃ 1小時(shí)激活退火后,異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的互擴(kuò)散,異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)對碲鎘汞探測器性能提升的作用勢必降低。在雙色的npn結(jié)構(gòu)中,這種高溫激活引起的互擴(kuò)散將導(dǎo)致串音等問題。因此如何在更低溫度下激活A(yù)s摻雜的碲鎘汞材料是碲鎘汞材料技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。

圖1 SIMS表征退火前后碲鎘汞組分分布

2 實(shí)驗(yàn)方案

使用HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行As摻雜是降低As摻雜元素激活溫度的技術(shù)路徑之一。傳統(tǒng)的使用分子束外延方式直接在碲鎘汞工藝中進(jìn)行As摻雜,As占據(jù)Hg位從而使材料呈n型,需要對材料進(jìn)行高溫(350 ℃以上)熱處理將As激活至Te位從而使碲鎘汞材料呈p型,本文采用的HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)材料在CdTe層間開啟As束流與Hg束流進(jìn)行摻雜,保證As直接與Hg結(jié)合占據(jù)Te位,使材料呈p型。降低As摻雜激活需要的溫度[4-5]。但是由于HgTe、CdTe兩種材料生長條件有較大的差異,本文將開發(fā)合適的生長工藝參數(shù)完成HgTe/CdTe超晶格材料生長,并實(shí)現(xiàn)As摻雜材料在低溫下的激活。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

具有HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)As摻雜碲鎘汞材料的結(jié)構(gòu)如圖2所示,在襯底上首先生長原位In摻雜的n型碲鎘汞材料作為吸收層,再生長同組分的非摻雜阻擋層盡可能抑制摻雜元素互擴(kuò)散,再生長超晶格結(jié)構(gòu),同時(shí)進(jìn)行原位As摻雜,最后依次生長非摻雜碲鎘汞層和碲化鎘鈍化層。

為了表征HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)生長參數(shù)控制精度、HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)原位摻雜及低溫激活效果,本文研究了在硅基復(fù)合襯底上直接進(jìn)行HgTe/CdTe超晶格的材料工藝。設(shè)計(jì)硅基HgTe/CdTe超晶格材料的結(jié)構(gòu)如圖3所示,在硅基復(fù)合襯底上直接生長HgTe/CdTe超晶格材料。其中CdTe層4 nm,HgTe層6 nm,在CdTe層生長中間摻雜一原子單層的As元素。總共生長300個(gè)周期。

圖3 硅基HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)

圖4 HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)XRD衍射圖像

2.2 溫度控制

溫度控制是硅基復(fù)合襯底上分子束外延碲鎘汞超晶格材料的難點(diǎn)之一:1.隨著碲鎘汞材料生長,材料吸熱系數(shù)增加,需要實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)定溫度保證碲鎘汞外延溫度穩(wěn)定;2.碲鎘汞材料對溫度較為敏感,±2 ℃以上的溫度偏差即對材料質(zhì)量造成影響。

因此,我們主要用紅外測溫儀(測溫范圍為100～300 ℃)實(shí)時(shí)監(jiān)控襯底溫度,利用銦(熔點(diǎn)156 ℃)校準(zhǔn)紅外測溫儀,保證超晶格材料生長溫度控制的穩(wěn)定性。

2.3 HgTe/CdTe超晶格工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

分子束外延HgTe/CdTe超晶格材料工藝中,HgTe、CdTe超晶格兩種材料最優(yōu)的生長溫度相差100 ℃之上,且每一層材料生長時(shí)間只有幾十秒,材料生長溫度無法快速調(diào)整。因此需要生長參數(shù)平衡點(diǎn)來保證HgTe、CdTe兩種材料均能獲得較高的晶體質(zhì)量[5]。我們采用的工藝方案是生長溫度采用適合HgTe材料生長的溫度,用降低生長速率的方式提高低溫下CdTe材料的生長質(zhì)量。

表1 硅基HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)生長參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用X射線雙晶搖擺曲線表征HgTe/CdTe超晶格材料晶體質(zhì)量。衍射圖像顯示有兩個(gè)峰,位于-227″處的峰值強(qiáng)度較低,為CdTe復(fù)合襯底材料衍射曲線。另一個(gè)峰位于-2″,為HgTe/CdTe超晶格材料衍射曲線,雙晶衍射半峰寬為155″。這表明超晶格質(zhì)量良好,與在硅基復(fù)合襯底上外延的同厚度的碲鎘汞材料雙晶衍射半峰寬相當(dāng)。

采用透射電鏡表征HgTe/CdTe超晶格材料結(jié)構(gòu)。如圖5所示,4 nm CdTe/6 nm HgTe超晶格結(jié)構(gòu)在透射電鏡下清晰可見,材料參數(shù)控制精確。

圖5 HgTe/CdTe樣品TEM圖像

圖6 HgTe/CdTe樣品紅外透過曲線圖像

使用FTIR表征碲鎘汞紅外透過曲線,原生片表現(xiàn)為在長波波段出現(xiàn)吸收,這是因?yàn)镠gTe、CdTe界面不陡峭,有少量互擴(kuò)散產(chǎn)生。250 ℃ 72 h汞飽和退火后,超晶格結(jié)構(gòu)充分?jǐn)U散,得到的碲鎘汞材料組分為0.3834,厚度為2.9 μm。與超晶格材料參數(shù)設(shè)計(jì)值相當(dāng),表明材料參數(shù)控制良好。

表2 HgTe/CdTe超晶格材料退火后FTIR測試結(jié)果

使用hall測試250 ℃ 72 h汞飽和退火后的超晶格結(jié)構(gòu)材料,測試結(jié)果顯示77K下材料呈p型,p型濃度2.67×1016cm-3,遷移率73.3 cm2/Vs。退火過程中采用汞飽和的退火條件,排除汞空位引起的p型,說明As摻雜超晶格結(jié)構(gòu)的p型由As元素引起。表明摻雜的As元素在250 ℃即被激活,HgTe/CdTe超晶格材料As摻雜工藝達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

圖7使用SIMS表征了HgTe/CdTe超晶格材料As摻雜濃度,摻雜濃度約為3×1017cm-3,比Hall測試得到的p型濃度高出一個(gè)量級(jí),導(dǎo)致這個(gè)問題原因可能是:部分As元素仍然處在間隙位、汞飽和退火后材料中施主對材料Hall測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖7 SIMS表征HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)As濃度

4 結(jié) 論

本文報(bào)道了在硅基復(fù)合襯底上分子束外延HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)材料工藝研究。成功開發(fā)了在硅基復(fù)合襯底上外延HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)材料的工藝,材料質(zhì)量良好,材料參數(shù)達(dá)到預(yù)期水平。使用Hall測試250 ℃72小時(shí)汞飽和退火后的超晶格結(jié)構(gòu)材料,測試結(jié)果顯示77K下材料呈p型,p型濃度2.67×1016cm-3,遷移率73.3 cm2/Vs。摻雜的As元素在250 ℃即被激活,HgTe/CdTe超晶格材料As摻雜工藝達(dá)到設(shè)計(jì)目的。