碲鎘汞材料具有截止波長(zhǎng)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(cè)器應(yīng)用材料之一。近年來(lái)分子束外延生長(zhǎng)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(cè)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(duì)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。只有經(jīng)過(guò)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。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所和重慶嘉陵華光光電科技有限公司的科研團(tuán)隊(duì)在《激光與紅外》期刊上發(fā)表了以“分子束外延HgTe/CdTe超晶格工藝研究”為主題的文章。該文章第一作者為高達(dá)。

本文報(bào)道了分子束外延生長(zhǎng)HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)。采用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。

實(shí)驗(yàn)方案

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(duì)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(guò)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(duì)碲鎘汞探測(cè)器性能提升的作用勢(shì)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(wèn)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

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(duì)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(kāi)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。但是由于HgTe、CdTe兩種材料生長(zhǎng)條件有較大的差異，本文將開(kāi)發(fā)合適的生長(zhǎng)工藝參數(shù)完成HgTe/CdTe超晶格材料生長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)As摻雜材料在低溫下的激活。

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(zhǎng)原位In摻雜的n型碲鎘汞材料作為吸收層，再生長(zhǎng)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(zhǎng)超晶格結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行原位As摻雜，最后依次生長(zhǎng)非摻雜碲鎘汞層和碲化鎘鈍化層。

圖2 原位摻雜HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)

為了表征HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)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(zhǎng)HgTe/CdTe超晶格材料。其中CdTe層4 nm，HgTe層６ｎｍ，在CdTe層生長(zhǎng)中間摻雜一原子單層的As元素。總共生長(zhǎng)300個(gè)周期。

圖3 硅基HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)，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(duì)溫度較為敏感，±2℃以上的溫度偏差即對(duì)材料質(zhì)量造成影響。因此，我們主要用紅外測(cè)溫儀（測(cè)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(cè)溫儀，保證超晶格材料生長(zhǎng)溫度控制的穩(wěn)定性。

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(zhǎng)溫度相差100℃之上，且每一層材料生長(zhǎng)時(shí)間只有幾十秒，材料生長(zhǎng)溫度無(wú)法快速調(diào)整。因此需要生長(zhǎng)參數(shù)平衡點(diǎn)來(lái)保證HgTe、CdTe兩種材料均能獲得較高的晶體質(zhì)量。我們采用的工藝方案是生長(zhǎng)溫度采用適合HgTe材料生長(zhǎng)的溫度，用降低生長(zhǎng)速率的方式提高低溫下CdTe材料的生長(zhǎng)質(zhì)量。

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)。

圖4 HgTe/CdTe超晶格結(jié)構(gòu)XRD衍射圖像

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(jiàn)，材料參數(shù)控制精確。使用FTIR表征碲鎘汞紅外透過(guò)曲線，原生片表現(xiàn)為在長(zhǎng)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℃ 72h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2.9μｍ。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。

圖5 HgTe/CdTe樣品TEM圖像

圖6 HgTe/CdTe樣品紅外透過(guò)曲線圖像

使用Hall測(cè)試250℃ 72h汞飽和退火后的超晶格結(jié)構(gòu)材料，測(cè)試結(jié)果顯示77 K下材料呈p型，p型濃度2.67×101?cm?3，遷移率73.3 cm2/Vs。退火過(guò)程中采用汞飽和的退火條件，排除汞空位引起的p型，說(shuō)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3×101? cm?3，比Hall測(cè)試得到的p型濃度高出一個(gè)量級(jí)，導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)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(duì)材料Hall測(cè)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

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(kāi)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(cè)試250℃ 72 h汞飽和退火后的超晶格結(jié)構(gòu)材料，測(cè)試結(jié)果顯示77 K下材料呈p型，p型濃度2.67×101?cm?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。

審核編輯：彭菁