碲鎘汞p-on-n長(zhǎng)波異質(zhì)結(jié)探測(cè)器材料的制備研究

田 震,宋淑芳,王小菊,周立慶

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

HgCdTe材料由于本身是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料,并且具有可調(diào)的禁帶寬度,可以覆蓋整個(gè)紅外波段,具備相對(duì)較高的工作溫度等優(yōu)點(diǎn),使其成為一種理想的紅外探測(cè)器材料。從20世紀(jì)70年代就開始被廣泛應(yīng)用于制備不同類型的紅外探測(cè)器。近年來(lái)以大規(guī)模、多色、單光子、甚長(zhǎng)波等為標(biāo)志的第三代碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器得到了迅速的發(fā)展,主要出現(xiàn)了以B+注入n-on-p平面結(jié)和原位摻雜p-on-n臺(tái)面異質(zhì)結(jié)為代表的兩類器件。B+注入形成n-on-p平面結(jié)是目前制備碲鎘汞光伏探測(cè)器的通常方法,但是這種n-on-p平面型器件存在一些不可避免的缺點(diǎn),這種傳統(tǒng)的Hg空位p型材料應(yīng)用到長(zhǎng)波波段上,存在著載流子壽命短、結(jié)阻抗低等問(wèn)題,制約了碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器的進(jìn)一步發(fā)展[1]。而p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)(DLHJ)器件是高R0A值和高性能的探測(cè)器代表。首先,因?yàn)樵粨诫s的p-on-n異質(zhì)結(jié)材料能避免離子注入引入的損傷,可以有效減少p-n結(jié)耗盡區(qū)以及表面的產(chǎn)生-復(fù)合電流,和缺陷輔助隧穿中心密度；通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)的減裁,可以大大減少直接的隧穿幾率,相應(yīng)的減少了隧道電流的不利影響[2-3],從而極大地降低了器件的暗電流。其次,由于p-on-n異質(zhì)結(jié)臺(tái)面器件的n型吸收層多數(shù)載流子濃度低,少子壽命長(zhǎng),所以有較大的R0A值[4]。同時(shí)p-on-n異質(zhì)結(jié)器件突變結(jié)濃度高的一側(cè)p型層是寬禁帶的材料,它能抑制光和熱噪聲,提高了器件的性能。

HgCdTe材料生長(zhǎng)是一種非常困難的材料生長(zhǎng)技術(shù)[5-6],主要可分為體材料生長(zhǎng)和外延薄膜生長(zhǎng)。外延薄膜生長(zhǎng)包括液相外延(LPE)、金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)等。LPE 從20世紀(jì)70 年代初期開始用于HgCdTe薄膜材料制備,即從飽和溶液中在碲鋅鎘(CdZnTe)襯底上生長(zhǎng)外延層的方法。至20世紀(jì)90 年代LPE 已非常成熟,目前已經(jīng)用于批量生產(chǎn)一代和二代探測(cè)器。液相外延生長(zhǎng)是在高溫溶液中進(jìn)行的,與汽(氣)相蒸發(fā)薄膜生長(zhǎng)技術(shù)相比較,有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)生長(zhǎng)過(guò)程接近于熱力學(xué)平衡,LPE厚膜具有低缺陷,高結(jié)晶性能的優(yōu)點(diǎn)。(2)溶液中比汽(氣)相含有更高濃度的溶質(zhì),具有高生長(zhǎng)速度的優(yōu)點(diǎn)。(3)在非真空下成形,具有制備成本低的優(yōu)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器通常都是采用液相外延技術(shù)制備p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能探測(cè)器組件的制備。甚長(zhǎng)波(VLWIR,12～25 μm)探測(cè)器對(duì)于空間紅外系統(tǒng)的研發(fā)具有關(guān)鍵作用,在導(dǎo)彈預(yù)警偵察等戰(zhàn)略應(yīng)用中,背景經(jīng)常是溫度非常低的冷太空,背景噪聲只有地面場(chǎng)景的千分之一到萬(wàn)分之一。這是為了從遠(yuǎn)距離冷弱目標(biāo)中接收更多的光子,需要將探測(cè)器的截止波長(zhǎng)擴(kuò)展VLWIR 波段,是近年來(lái)探測(cè)器的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

2 實(shí) 驗(yàn)

p+-on- n器件結(jié)構(gòu)是針對(duì)抑制器件的產(chǎn)生一復(fù)合電流而提出的,將n型作為光敏元區(qū),其載流子濃度可以控制在較低的水平,材料的少子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度等性能指標(biāo)均優(yōu)于p型材料,器件的漏電流可以控制到更小。這一結(jié)構(gòu)是針對(duì)長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波碲鎘汞紅外探測(cè)器的性能需求而發(fā)展起來(lái)的,對(duì)于中短波器件,n型吸收層材料的高遷移率對(duì)減小器件的串聯(lián)電阻也是有利的。為抑制表面漏電,器件一般都采用雙層組分異質(zhì)(DLHJ)結(jié)構(gòu)(圖1)。該工藝是由美國(guó)Lockheed Martin IR Imaging System等公司發(fā)展起來(lái)的[7-9],器件采用臺(tái)面結(jié)和CdTe鈍化工藝。該技術(shù)能研制截止波長(zhǎng)達(dá)17 μm的紅外焦平面器件[10]。目前,該技術(shù)為美國(guó)雷神和BAE公司制備甚長(zhǎng)波(λc>15μm)碲鎘汞紅外焦平面的主流技術(shù),最新的進(jìn)展可見相關(guān)報(bào)道[11]。

圖1 p+-on-n臺(tái)面異質(zhì)結(jié)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖

器件結(jié)構(gòu)中的p型Cap層一般為高組分的碲鎘汞外延層,摻雜濃度控制在1016～1018cm-3量級(jí)[12]。富汞LPE和MBE均能實(shí)現(xiàn)高組分As摻雜Cap層的生長(zhǎng),Cap的厚度為1～2 μm,n型吸收層一般為濃度在(2～5×1014cm-3之間的In摻雜材料。MBE工藝的優(yōu)點(diǎn)是厚度控制能力強(qiáng),材料表面平整性好,整個(gè)組分異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延連續(xù)進(jìn)行,但As摻雜原子在生長(zhǎng)工藝中主要占據(jù)Hg原子位,在電學(xué)性能上呈n型,需對(duì)材料進(jìn)行高、低溫?zé)崽幚聿拍軐s激活成受主,并消除材料中的汞空位。用富汞LPE工藝制備As摻雜Cap層的優(yōu)點(diǎn)是As原子能在生長(zhǎng)工藝中自然激活,材料僅需低溫n型熱處理即可。n型吸收層的制備一般采用組分和厚度控制能力較強(qiáng)的水平推舟液相外延工藝,材料的位錯(cuò)密度可控制在較低的水平(<5×104cm-2),更適用于對(duì)性能要求更高的長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波碲鎘汞紅外探測(cè)器的制備[13]。

本文將采用目前器件性能最好的碲鎘汞雙層異質(zhì)結(jié)外延材料制備技術(shù),由富碲水平推舟液相外延In摻雜和富汞垂直液相外延As摻雜技術(shù)組成:采用水平液相外延技術(shù)在碲鋅鎘襯底材料上外延摻In碲鎘汞材料,形成n型層,其中鎘組分x在0.20～0.21之間,截止波長(zhǎng)約為12～13 μm。載流子濃度為5×1014～1×1015/cm3,遷移率約為1×105cm2/V·s。利用富汞垂直液相生長(zhǎng)技術(shù)在吸收層材料上生p型cap層材料,材料厚度1～2 μm,載流子濃度為1×1017～1×1018/cm3,經(jīng)過(guò)腐蝕臺(tái)面、生長(zhǎng)鈍化膜、鍍金屬電極和制備銦柱等工藝,獲得了 p+-on-n臺(tái)面異質(zhì)結(jié)的光伏器件。

2.1 n型吸收層材料外延生長(zhǎng)

采用富碲水平液相外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)外摻雜時(shí),雜質(zhì)在生長(zhǎng)溶液中的溶解度以及在生長(zhǎng)過(guò)程中的分凝系數(shù)將起決定性的作用。由于銦在富碲生長(zhǎng)溶液中可以任意比例溶解,而且摻入銦后溶液的性質(zhì)不發(fā)生明顯的改變,這些特點(diǎn)使得采用富碲液相外延生長(zhǎng)方式摻入銦比較容易實(shí)現(xiàn),生長(zhǎng)后的碲鎘汞薄膜材料也不需要進(jìn)行熱激活處理,就能實(shí)現(xiàn)銦雜質(zhì)元素的100%激活,成為當(dāng)前碲鎘汞探測(cè)器制備技術(shù)中最主要的n型摻雜方式。作為吸收層的n型材料,其摻雜的濃度可以控制在5×1014～2×1015cm-3的范圍內(nèi),要低于通常p型摻雜所能控制的濃度控制范圍:1×1017～2×1018cm-3,可以有效控制暗電流和光致電流的大小,使其R0A值要比n-on-p同質(zhì)結(jié)構(gòu)的探測(cè)器組件高近一個(gè)數(shù)量級(jí)的差距。

對(duì)于甚長(zhǎng)波碲鎘汞薄膜材料(x=0.20),材料的載流子濃度與In摻雜濃度和Hg偏壓的平方根成正比,激活能只有11 eV,擴(kuò)散系數(shù)為5×1014cm2/V·s(300 K)。調(diào)整In的摻雜濃度及碲鎘汞母液配方、外延薄膜組份以及生長(zhǎng)條件等工藝參數(shù),優(yōu)化液相外延生長(zhǎng)工藝,制備出了高質(zhì)量的甚長(zhǎng)波碲鎘汞n型原位摻雜薄膜材料(如圖2所示),材料的雙晶衍射半峰寬小于30 arcsec,位錯(cuò)密度低于1×105cm-2。

圖2 雙層異質(zhì)結(jié)碲鎘汞吸收層材料位錯(cuò)密度及X雙晶衍射半峰寬測(cè)試結(jié)果

2.2 p型cap層材料生長(zhǎng)

在碲鎘汞外延材料的制備過(guò)程中,p型材料的摻雜技術(shù)是最困難的,最先采用的技術(shù)是通過(guò)控制汞空位的濃度來(lái)控制p型碲鎘汞材料的載流子濃度,但由于汞空位在碲鎘汞材料中會(huì)形成Shockley-Read-Hall復(fù)合中心,嚴(yán)重限制了碲鎘汞材料中的少子壽命。本文采用富Hg垂直液相外延技術(shù)能夠以原位生長(zhǎng)方式實(shí)現(xiàn)As摻雜并直接激活成受主的外延技術(shù)。在工藝上,富Hg液相外延存在著Hg壓高所帶來(lái)的特殊困難,在450 ℃生長(zhǎng),Hg壓可高達(dá)10 atm左右,而且富Hg母液的Cd 含量很小,一般僅為萬(wàn)分之幾,外延過(guò)程中Cd 的耗盡將會(huì)很明顯,cap層材料存在較大的組分梯度變化,對(duì)器件性能存在較大的影響。

圖3中通過(guò)二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)試結(jié)果表明cap層的材料厚度約為1.6 μm,As的摻雜濃度約為5×1017cm-3的范圍。利用霍爾測(cè)試的方法,測(cè)量采用富汞垂直液相外延工藝生長(zhǎng)后的cap層材料載流子濃度類型及其濃度和遷移率,測(cè)試結(jié)果如表1所示。比較不同目標(biāo)濃度的SIMS測(cè)試As摻雜濃度結(jié)果和霍爾載流子的結(jié)果,可知采用這種工藝As摻雜元素不需要進(jìn)行熱處理過(guò)程就已經(jīng)激活,激活率接近100%,能夠滿足p+-on-n器件的制備需求。采用富汞垂直液相外延工藝直接生長(zhǎng)的Cap層材料遷移率較低,可以通過(guò)后續(xù)的熱處理工藝進(jìn)一步優(yōu)化材料的電學(xué)性能。

圖3 p+-on-n雙層異質(zhì)結(jié)碲鎘汞材料組分及摻雜濃度分布SIMS測(cè)試結(jié)果

表1 cap層As摻雜材料電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.3 長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器芯片

為驗(yàn)證p+-on-n長(zhǎng)波雙層異質(zhì)結(jié)材料性能,本文采用集成了ICP干法刻蝕和濕化學(xué)腐蝕工藝來(lái)分離光敏感元微臺(tái)面列陣,在經(jīng)過(guò)微臺(tái)面陣列鈍化、金屬化合銦柱列陣制備等工藝獲得128×128、30 μm像元中心間距的p+-on-n臺(tái)面結(jié)器件。器件在77 K下的中測(cè)結(jié)果表明,器件的的響應(yīng)截止波長(zhǎng)為12.3 μm,光敏元的I-V和R-V特性曲線表現(xiàn)出良好的二極管特性,對(duì)比發(fā)現(xiàn)其R0A值要明顯優(yōu)于相同波段的n-on-p平面結(jié)碲鎘汞紅外探測(cè)器水平(圖4),達(dá)到了10 Ω·cm2的水平。目前存在的主要問(wèn)題是臺(tái)面器件工藝還不成熟,工藝重復(fù)性較差,臺(tái)面刻蝕及鈍化工藝引起的漏電流較大等問(wèn)題需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。

圖4 各國(guó)主要研究機(jī)構(gòu)長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波探測(cè)器器件結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

3 結(jié) 論

綜上所述,本文對(duì)于p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)碲鎘汞薄膜材料的制備和性質(zhì)進(jìn)行了研究,采用富碲水平液相外延和富汞垂直液相外延生長(zhǎng)技術(shù)制備了As摻雜的的p+-on-n型雙層異質(zhì)結(jié)材料,77 K溫度下其響應(yīng)波長(zhǎng)大于12 μm,n型摻銦吸收層的位錯(cuò)密度小于1×105cm-2,遷移率達(dá)到了1×105cm2/V·s；p型cap層的材料的生長(zhǎng)厚度為1～2 μm,載流子濃度為1×1017～2×1018cm-3,摻雜As元素的激活率接近100%,并制備了128×128陣列,30μm中心間距的p+-on-n型異質(zhì)結(jié)臺(tái)面型芯片對(duì)材料的性能進(jìn)行了驗(yàn)證,I-V特性要明顯優(yōu)于目前主流平面結(jié)工藝的水平,R0A值達(dá)到了10 Ω·cm2的水平,能有效提高目前長(zhǎng)波及甚長(zhǎng)波碲鎘汞紅外焦平面器件性能水平,滿足應(yīng)用需求。

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