碲鎘汞激光線刻蝕研究

張 赫, 蔣鴻儒, 潘晨博

(1.上海大學(xué) 理學(xué)院,上海 200444; 2.中國(guó)科學(xué)院 上海高等研究院，上海 201210)

0 引 言

碲鎘汞(HgCdTe)材料具有可調(diào)帶隙、高探測(cè)率以及較高的工作溫度等特點(diǎn),是紅外探測(cè)器的主要材料之一[1-3]。

在碲鎘汞材料合成制造過(guò)程中,常通過(guò)離子刻蝕等加工方案為材料引入缺陷,其中的部分缺陷可以給材料帶來(lái)新的物理特性,這給碲鎘汞材料的器件應(yīng)用提供了新的研究方向[4-6]。

飛秒激光作為一種先進(jìn)的加工技術(shù),由于其加工精度高、加工效率快、對(duì)材料要求低等優(yōu)點(diǎn),在表面加工領(lǐng)域展露出巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景[7-8]。飛秒激光與物質(zhì)相互作用時(shí),脈沖持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于材料內(nèi)部受激電子的弛豫時(shí)間,因此產(chǎn)生的附加熱效應(yīng)小,不會(huì)破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外,飛秒激光極短的脈寬可以產(chǎn)生極高的光強(qiáng)，從而突破衍射極限。

隨著焦平面陣列器件的發(fā)展,其尺寸在不斷減小,這對(duì)于有效光敏元的面積尺寸要求越來(lái)越高。飛秒激光對(duì)碲鎘汞材料加工形成的區(qū)域刻蝕,尺寸在微米量級(jí),可以滿(mǎn)足光敏元尺寸的要求[9-11]。因此,將飛秒激光加工技術(shù)應(yīng)用于碲鎘汞材料制備,對(duì)于提高碲鎘汞材料品質(zhì)并完善工藝,制造出優(yōu)良的焦平面列陣是很有必要的。

本文工作運(yùn)用激光束誘導(dǎo)電流(laser beam induced current,LBIC)技術(shù)對(duì)飛秒激光刻蝕區(qū)域進(jìn)行光電流性質(zhì)探測(cè),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)激光刻蝕孔洞區(qū)發(fā)生改性,刻線區(qū)只有一側(cè)產(chǎn)生光電流信號(hào)且與激光刻蝕方向有關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)揭示了激光刻蝕與碲鎘汞材料相互作用機(jī)理,為飛秒激光加工半導(dǎo)體材料提供了一個(gè)有效論證。

1 試驗(yàn)原理與設(shè)備

LBIC是一種高效、非破壞性的用來(lái)研究材料空間結(jié)構(gòu)和電活性區(qū)域以及缺陷的測(cè)試方法[12]。半導(dǎo)體樣品中經(jīng)常存在電活性缺陷,可以利用LBIC技術(shù)確定電活性的雜質(zhì)、缺陷簇和材料的不均勻性等,還可以利用該技術(shù)測(cè)試PN結(jié)結(jié)深、載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度、探測(cè)器的品質(zhì)因子及均勻性等。

LBIC技術(shù)具有高分辨、非直接接觸、操作方便的優(yōu)點(diǎn),在諸如太陽(yáng)能電池、光電探測(cè)器陣列等光伏器件研究中有著廣泛的應(yīng)用。

LBIC技術(shù)原理示意圖如圖1所示。He-Ne激光聚焦在樣品表面時(shí)會(huì)激發(fā)電子-空穴對(duì)。當(dāng)激光光電照射在孔區(qū)邊緣處的PN結(jié)界面時(shí),由于內(nèi)建電場(chǎng)的存在,將電子-空穴對(duì)分開(kāi),產(chǎn)生光伏電勢(shì),光伏電勢(shì)作用在閉合回路形成電流;當(dāng)光點(diǎn)掃描PN結(jié)界面時(shí),會(huì)產(chǎn)生最強(qiáng)的LBIC信號(hào);當(dāng)激光照射點(diǎn)在距耗盡區(qū)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度的范圍內(nèi)時(shí),同樣產(chǎn)生光電流信號(hào),其大小與擴(kuò)散距離有關(guān)。

圖1 LBIC技術(shù)原理示意圖

因?yàn)镹區(qū)兩側(cè)PN結(jié)界面處電場(chǎng)強(qiáng)度相反,所以掃描出的整個(gè)PN結(jié)的LBIC曲線會(huì)顯示正負(fù)雙峰結(jié)構(gòu),另外還可以根據(jù)信號(hào)的大小判斷PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)弱。

試驗(yàn)所使用的LBIC測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

試驗(yàn)光源采用632 nm的He-Ne激光,經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器和20倍的物鏡聚焦在樣品表面。CCD相機(jī)可以監(jiān)控樣品上的光斑尺寸,以最優(yōu)化聚焦光斑的大小和位置。利用飛秒激光在碲鎘汞樣品上刻蝕出凹槽,聚焦在樣品上的光斑最小可達(dá)3 μm。樣品置于低溫杜瓦內(nèi),可以在77 K的溫度下進(jìn)行測(cè)量。杜瓦瓶固定在高精度二維平移臺(tái)上,通過(guò)平移臺(tái)的移動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)在樣品表面的二維掃描。所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)配合SR830鎖相放大器消除背景噪聲后進(jìn)行采集。

圖2 LBIC測(cè)量系統(tǒng)示意圖

2 激光刻蝕碲鎘汞模型

P型碲鎘汞HgCdTe經(jīng)過(guò)激光打孔后會(huì)表現(xiàn)出明顯的PN結(jié)特性?？梢哉J(rèn)為激光損傷區(qū)的P型HgCdTe材料性質(zhì)發(fā)生變化,由P型轉(zhuǎn)變成N型。關(guān)于P型HgCdTe向N型轉(zhuǎn)換的原因目前尚無(wú)定論,目前主流的觀點(diǎn)是HgCdTe受到飛秒激光刻蝕作用,Hg—Te化學(xué)鍵在脈沖激光輻照下斷裂,自由的Hg原子向四周擴(kuò)散,使得輻照區(qū)Hg空位P型HgCdTe材料表層轉(zhuǎn)換為Hg填隙N型HgCdTe。

在這種情形下，飛秒激光對(duì)P型HgCdTe進(jìn)行打孔刻蝕后,孔的邊緣區(qū)被誘導(dǎo)產(chǎn)生反型。該反型區(qū)與其外圍的P型HgCdTe基底形成PN結(jié)。飛秒激光刻蝕碲鎘汞模型如圖3所示。

圖3 飛秒激光刻蝕碲鎘汞模型

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

使用飛秒激光對(duì)HgCdTe刻蝕了3條刻線,刻線寬度為20 μm。光學(xué)顯微鏡下的刻線形貌照片如圖4a所示。其中,刻線a和刻線c的激光刻蝕方向?yàn)閺纳系较路较?刻線b的激光刻蝕方向?yàn)閺南碌缴戏较颉?/p>

沿著水平方向?qū)叹€進(jìn)行LBIC線掃描操作,鎖相放大器直接測(cè)量光生電流信號(hào),每條刻線進(jìn)行從左到右的2次掃描操作,LBIC掃描結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出,LBIC掃描信號(hào)的峰形表現(xiàn)出明顯的方向性,刻線兩側(cè)的光電流信號(hào)存在明顯差異。

圖4 刻線形貌及LBIC掃描結(jié)果

文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)飛秒激光脈沖數(shù)目的大小會(huì)對(duì)P型碲鎘汞激光打孔成結(jié)效果產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)得到不同脈沖數(shù)目的打孔結(jié)果，如圖5所示。

從圖5可以看出：1 ms脈沖數(shù)下的刻蝕孔半徑較小,所對(duì)應(yīng)PN結(jié)的LBIC信號(hào)呈現(xiàn)中心對(duì)稱(chēng)的雙峰結(jié)構(gòu)；隨著飛秒激光脈沖數(shù)目的增加,100 ms脈沖數(shù)條件下飛秒激光刻蝕孔半徑顯著增大,且打孔成結(jié)效果逐漸消失。這說(shuō)明飛秒激光刻蝕脈沖數(shù)的大小會(huì)影響成結(jié)效果。

本次實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果與上述結(jié)果吻合。當(dāng)飛秒激光與碲鎘汞材料進(jìn)行線刻蝕操作時(shí),激光與材料相互作用的脈沖時(shí)間更長(zhǎng),在刻蝕過(guò)程中引入了大量缺陷。使得LBIC信號(hào)產(chǎn)生了明顯的偏移,導(dǎo)致圖4中LBIC信號(hào)出現(xiàn)正向電流很強(qiáng)而負(fù)向電流幾乎消失的現(xiàn)象,該現(xiàn)象正是PN結(jié)特性已經(jīng)被嚴(yán)重破壞的體現(xiàn)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),若碲鎘汞材料內(nèi)部存在大量的空位、線位錯(cuò)等材料缺陷,由于這些缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致碲鎘汞光伏探測(cè)器無(wú)法正常工作,而同時(shí)一些缺陷還會(huì)引入漏電路徑,該漏電路徑會(huì)導(dǎo)致LBIC信號(hào)出現(xiàn)沿y軸方向的偏移,從而形成負(fù)向信號(hào)幾乎消失的不對(duì)稱(chēng)分布。而激光刻蝕的方向性可能與激光加工時(shí)的光斑能量分布有關(guān),該現(xiàn)象和機(jī)理有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

碲鎘汞HgCdTe的飛秒激光刻蝕是目前碲鎘汞材料應(yīng)用的熱點(diǎn)之一，目前已有研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光對(duì)碲鎘汞的線刻蝕會(huì)形成周期性表面微結(jié)構(gòu)。在此研究的基礎(chǔ)之上,本文探究了刻蝕區(qū)的電學(xué)性質(zhì),發(fā)現(xiàn)刻蝕結(jié)構(gòu)左、右兩側(cè)的電學(xué)性質(zhì)存在差異,表明線刻蝕會(huì)破壞碲鎘汞材料的PN結(jié)特性,從而產(chǎn)生負(fù)向信號(hào)幾乎消失的不對(duì)稱(chēng)LBIC信號(hào)分布。

本文研究結(jié)果對(duì)碲鎘汞紅外探測(cè)器的研究具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。