碲鋅鎘襯底晶向對碲鎘汞薄膜表面形貌的影響

楊海燕，周曉珺，侯曉敏，何越陽

（華北光電技術研究所，北京100015）

1 引 言

碲鋅鎘材料和碲鎘汞材料具有一樣的閃鋅礦結構，通過調整鋅組分可實現(xiàn)兩者之間晶格上的完全匹配，并且這種材料對紅外光完全透明，因此是制備高性能碲鎘汞紅外焦平面探測器不可或缺的襯底材料。（111）面是閃鋅礦結構原子層密度最高的晶面，從微觀上看也是最平整的表面，一般情況下，液相外延生長碲鎘汞薄膜都在〈111〉晶向上進行，外延材料甚至可以得到原子級平整的光亮表面［1］。

碲鋅鎘襯底和碲鎘汞外延材料之間的晶格匹配會對外延層的質量產(chǎn)生直接影響［2］。表面形貌是衡量外延材料質量的重要指標之一。碲鋅鎘晶向和（111）面的偏角應被控制一定范圍內(nèi)，以保證外延以鄰位面方式生長，晶向偏離越大，外延材料表面臺階越嚴重，甚至會影響薄膜的生長［3-5］。襯底晶向偏差的控制也可以避免在外延過程引入失配位錯，從而獲得低位錯密度的碲鎘汞外延材料［6-8］，進而獲得高性能的長波材料［9-10］。晶格匹配也會影響材料固—液界面的平整性，在負失配條件下，處于張應力狀態(tài)的外延材料在外延過程中容易形成微裂紋，進而引起回熔再生長，結果導致外延層和襯底之間的界面出現(xiàn)起伏，幅度可高達2μm左右［11］。因此，襯底晶向的精確控制對保證碲鎘汞薄膜的質量是至關重要的。

作為體材料的碲鋅鎘材料卻面臨單晶生長困難的問題，因此可用于薄膜外延生長用的合格碲鋅鎘襯底的獲得首先需要對多晶體材料進行定向切割，然后經(jīng)過粗磨、細磨、拋光等多道加工工藝［12-15］。另外，由于晶格失配所導致的缺陷密度要高出1個數(shù)量級以上，異質襯底上的碲鎘汞外延技術的發(fā)展受到了限制，所以，髙性能碲鎘汞紅外焦平面器件的研制和生產(chǎn)以及雪崩型、高溫工作型等第三代碲鎘汞紅外焦平面技術的研究和發(fā)展還得依賴于碲鋅鎘襯底材料［1］。因此，本文探討了碲鋅鎘襯底晶向對液相外延碲鎘汞薄膜表面形貌的影響，并研究了襯底晶向偏差大的來源及解決方法。

2 實驗方案

利用定向儀對經(jīng)過粗磨、細磨、機械拋光、化學拋光等加工工藝的碲鋅鎘襯底進行定向，然后選擇不同晶向偏差的襯底樣品進行相同的液相外延工藝，對其表面相貌進行觀察和比較，以考察襯底晶向偏差程度對液相外延碲鎘汞薄膜表面形貌的影響。然后追蹤襯底在加工過程中晶向偏差的變化，分析碲鋅鎘襯底晶向偏差的可能來源及解決方法。

3 實驗結果及討論

3.1 碲鋅鎘襯底晶向偏差對液相外延碲鎘汞薄膜表面形貌的影響

利用定向儀對原生晶片（原生晶片為體晶經(jīng)定向切割后的晶片，該晶片未經(jīng)過后續(xù)的粗磨、細磨等加工過程）及經(jīng)過粗磨、細磨、機械拋光、化學拋光等加工工藝的碲鋅鎘襯底進行定向，樣品測試結果如表1所示，圖中數(shù)據(jù)為晶向偏離〈111〉方向的偏差程度。采用相同液相外延工藝及設備對加工后的襯底樣品進行薄膜生長，液相外延后薄膜參數(shù)如表2所示，薄膜形貌如圖1所示。

圖1 五種樣品液相外延后的形貌對比Fig.1 The surface morphology of HgCdTe film epitaxied on five CdZnTe substrate samples

表1 五種樣品定向結果對比Tab.1 The orientation deviation of five CdZnTe substrate samples before and after processing

表2 五種樣品外延后的碲鎘汞薄膜參數(shù)Tab.2 The parameters of HgCdTe film epitaxied on five CdZnTe substrate samples

通過表1中加工完的碲鋅鎘襯底和原生晶片之間的晶向偏差程度的對比，可以發(fā)現(xiàn)襯底樣品在后續(xù)的加工過程中晶向均發(fā)生了不同程度變化，大部分樣品（除樣品1）的晶向偏差程度變大。由圖2可以看出，當襯底晶向偏差大于 12′（圖 1（c）），即0.2°時，碲鎘汞薄膜表面會出現(xiàn)富集的臺階面，偏差再大時（圖1（d））外延層屬臺階面生長，臺階面富集，表面形貌差，在臺階面前端有Te夾雜現(xiàn)象，當偏差更大時（圖1（e）），雖然碲鎘汞薄膜表面沒有出現(xiàn)臺階面，但整個表面形貌與圖1（a）、圖1（b）相比差很多。因此，加工完的碲鋅鎘襯底的晶向和（111）面的偏角應被控制在0.2°以內(nèi)，以保證外延以鄰位面生長方式進行。

3.2 碲鋅鎘襯底在加工過程中的晶向變化

由表1可以看出原生晶片在經(jīng)過后續(xù)的加工后，晶向偏差發(fā)生明顯變化，尤其是樣品2至樣品5，說明后續(xù)的加工工藝在減薄原生晶片的過程中會對襯底晶向產(chǎn)生明顯影響。因此，選擇碲鋅鎘襯底樣品，利用定向儀對其晶向偏差在加工過程中的變化進行追蹤，如表3所示。襯底樣品在加工過程中的厚度變化如表4所示。

表3 碲鋅鎘襯底樣品在加工過程晶向變化Tab.3 The orientation deviation of five CdZnTe substrate samples during processing

表4 碲鋅鎘襯底樣品在加工過程中厚度變化Tab.4 The thickness changes of five CdZnTe substrate samples during processing

由表3可以看出襯底在粗磨后外延前的晶向偏差基本沒有大的變化。對比表4可以看出，原生晶片在經(jīng)過粗磨后，厚度減薄400μm左右，在此減薄過程中襯底晶向變化的可能性很大，如圖2所示，右側箭頭為碲鋅鎘晶片減薄方向，假設晶片長度l為25 mm，碲鋅鎘晶片厚度d為1 mm，當減薄偏差厚度Δd為100μm時，根據(jù)公式（1）：

可以算出晶向偏差角θ約為13.8′，即當在大幅度的厚度減薄過程中，如果減薄不均勻或發(fā)生偏差就會對襯底晶向產(chǎn)生明顯影響，而后續(xù)的細磨及拋光過程均不會產(chǎn)生較大的厚度變化，因此晶向變化的也比較小。

圖2 減薄示意圖d-碲鋅鎘晶片厚度；Δd-減薄偏差厚度；l-晶片長度；θ-晶向偏差角Fig.2 The diagram of thinning

因此，碲鋅鎘襯底晶向偏差大的主要原因來源于碲鋅鎘晶體初次定向切割后的加工過程，尤其是減薄厚度較大的粗磨過程。針對該問題可以采用粗磨后二次定向來對碲鋅鎘襯底進行進一步篩選，減少由于襯底晶向偏差大造成的碲鎘汞薄膜形貌及質量下降，進而保證探測器器件性能。

4 實驗結論

利用定向儀對原生晶片及加工后的碲鋅鎘襯底的晶向進行定向比較，可以發(fā)現(xiàn)碲鋅鎘晶體在初次定向切割后的加工過程中晶向會發(fā)生明顯變化，這會對液相外延碲鎘汞薄膜的表面形貌產(chǎn)生明顯影響。通過進一步利用定向儀對襯底加工過程中的晶向偏差進行追蹤測定，發(fā)現(xiàn)碲鋅鎘襯底的晶向在粗磨工藝后不會發(fā)生較大變化，這是由于粗磨工藝會造成較大的厚度減薄，在該過程中如果減薄不均勻或發(fā)生偏差就會對襯底晶向產(chǎn)生明顯影響，因此，可以將粗磨后襯底的再次定向結果作為進一步篩選碲鋅鎘襯底的依據(jù)，以保證液相外延碲鎘汞薄膜的質量。