隨著碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展，對碲鎘汞材料的面積大小、組分均勻性以及電學(xué)性質(zhì)的要求越來越高。要實現(xiàn)載流子在較大范圍內(nèi)的控制以滿足各類紅外探測器的要求，需要對碲鎘汞材料進行摻雜。摻雜技術(shù)與pn結(jié)的性能及質(zhì)量相關(guān)。基于p-on-n器件結(jié)構(gòu)，n型摻雜時少子壽命高，光電二極管的暗電流較低。此外，n型吸收層的高電子遷移率降低了串聯(lián)電阻，可制備非常大的陣列。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“分子束外延In摻雜硅基碲鎘汞研究”為主題的文章。該文章第一作者為王丹，主要從事紅外材料分子束外延技術(shù)方面的研究工作。

本文主要利用MBE設(shè)備實現(xiàn)了硅基MCT的原位n型摻雜。在固定MCT組分下，研究了In源溫度與n型摻雜水平的關(guān)系。此外，制備了不同In摻雜濃度的MCT外延材料，研究了摻雜濃度對材料位錯的影響。在低溫汞飽和蒸氣壓下對材料進行了處理，然后測試了汞空位補償后材料的電學(xué)性能，并研究了退火后材料電學(xué)性能的變化情況，最終實現(xiàn)了質(zhì)量高、電學(xué)性能良好的In摻雜MCT材料制備。

實驗過程

利用芬蘭DCA儀器公司生產(chǎn)的MBE生長系統(tǒng)在3 in Si（211）晶圓表面上生長In摻雜MCT外延層。生長之前，對Si晶圓襯底進行表面預(yù)處理。經(jīng)過濕化學(xué)清洗過程，在硅晶圓表面上形成氫鈍化層。氫鈍化后，將硅晶圓裝入進樣艙和緩沖室（進行除氣），再將其轉(zhuǎn)入生長腔室。首先進行氫脫附，再經(jīng)過As鈍化、ZnTe緩沖層生長，最后生長厚度約為6 μm的CdTe緩沖層。采用直接摻雜的方法將In摻至MCT中。生長MCT時直接打開In源的擋板門。當(dāng)MCT生長結(jié)束時關(guān)閉所有擋板門，獲得In摻雜MCT外延片。設(shè)置不同的In源溫度，制備In梯度摻雜MCT外延層，用于研究源溫對In摻雜濃度的影響。

將In摻雜MCT外延片劃成20 mm×20 mm的小片，封管后在汞飽和條件下進行汞空位補償退火。將所有實驗樣品在250℃汞飽和蒸氣壓下退火48 h。

用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）測試樣品材料的組分和厚度。用光學(xué)顯微鏡和場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀測MCT外延層的表面形貌。In摻雜水平通過SIMS進行測試表征。對In摻雜MCT外延片進行汞空位補償處理后，在液氮溫度下對其進行了霍爾測試，以確定材料的類型、載流子濃度和載流子遷移率。使用Chen腐蝕液來確定腐蝕坑密度（EPD）。

結(jié)果分析及討論

基于單質(zhì)In，在固定組分的情況下進行了In梯度摻雜MCT薄膜的制備。在同一生長過程中，相比于非摻雜MCT制備，僅升高In源溫度，最終獲得了材料厚度為8.5 μm、組分為0.30的MCT外延層。

用SIMS檢測摻雜的In離子濃度（結(jié)果見圖1）。摻雜源溫度分別為400℃、420℃、435℃和450℃。從圖1中可以看出，In摻雜區(qū)濃度基本沒有波動，表明摻雜濃度均勻；改變摻雜源溫度時，出現(xiàn)明顯的陡峭坡度，說明通過直接控制擋板門的開關(guān)即可開始或停止摻雜過程。使用單質(zhì)In可使組分為0.3左右的MCT材料實現(xiàn)1×101?～2×101?cm?3的摻雜濃度。

對于In摻雜，在同一生長過程中，通過調(diào)整In源溫度可制備出不同摻雜水平的碲鎘汞。美國Raytheon Vision Systems公司的相關(guān)研究表明，在相同的生長過程中，In摻雜對MCT的組分值不敏感。對于給定的源溫，不論組分值是多少，都會得到相同的摻雜水平。在典型的生長溫度范圍（170～190℃）內(nèi)，In摻雜不依賴于生長溫度，而只依賴于生長速率；在固定的源溫下，通過較低的生長速率可以得到較高的摻雜水平。

圖1 In梯度摻雜MCT的SIMS測試結(jié)果

生長在硅襯底上的MCT薄膜的表面宏觀缺陷和內(nèi)部位錯是影響紅外探測器性能的兩類最重要的缺陷。相比于在晶格匹配的CdZnTe襯底上生長MCT，在硅替代襯底中減小位錯密度仍是一個重大挑戰(zhàn)。在MBE過程中，生長溫度和束流比對MCT外延層的位錯和表面缺陷密度有較大的影響。在固定源溫下，元素的粘附系數(shù)是影響材料質(zhì)量的主要因素。由于Te和Cd的粘附系數(shù)高，Te或CdTe變化僅會改變生長速率和成分，而對表面形態(tài)沒有明顯影響。在理想的生長溫度下，保持生長溫度恒定，通過改變In束流的大小可獲得不同n型摻雜濃度的MCT外延材料。因此，為了制備高質(zhì)量n型MCT材料，將In的粘附系數(shù)作為In束流的函數(shù)進行了研究。

In摻雜實驗過程中對摻雜濃度進行精確控制。通過調(diào)節(jié)In源溫度，測試In束流的大小。表1中顯示了不同In摻雜溫度與束流大小的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)In源溫度控制在435℃時，In的束流值為1.8×10?? Torr；直至溫度降低為400℃時，束流值與MBE腔內(nèi)背景值基本一致。圖2是In束流與SIMS測試的In摻雜水平的關(guān)系圖?？梢钥闯?，在摻雜濃度9×101? cm?3以下，In摻雜水平隨著In束流的增加而線性增加。

表1 MBE原位In摻雜工藝及參數(shù)

圖2 In摻雜水平與In束流的關(guān)系圖

利用FTIR光譜儀對樣品進行組分及厚度測量。測試點均勻分布，基本涵蓋整個3 in MCT外延片。樣品組分值在設(shè)計值0.3左右（見表1）。測試結(jié)果表明，整片組分標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值約為±0.0004，生長的MCT厚度在4～5 μm之間。可以看出，在MBE系統(tǒng)中獲得的In摻雜外延片具有優(yōu)異的面組分均勻性。

利用Chen腐蝕劑腐蝕材料，產(chǎn)生與位錯1∶1對應(yīng)的腐蝕坑。圖3為不同In摻雜濃度MCT材料位錯的SEM圖。經(jīng)統(tǒng)計，不同In濃度樣品的EPD值分別為1.98×10? cm?2、1.71×10? cm?2、1.80×10? cm?2，與未摻雜MCT的EPD值相當(dāng)。圖3（a）和圖3（bb）顯示了MCT樣品的位錯形狀，主要的腐蝕坑形態(tài)為三角形，同時也有少量傾斜角形狀（綠色標(biāo)注）和類魚眼狀（紅色標(biāo)注）。圖中三角形位錯是數(shù)量最多的形狀，沿＜111＞方向排列。Vaghayenegar M等人認(rèn)為三角形凹坑與Frank部分位錯相關(guān)，類魚眼狀腐蝕坑與具有1/2［011］Burgers向量的位錯相關(guān)，斜坑的性質(zhì)比類魚眼狀和三角形坑更復(fù)雜。他們利用循環(huán)熱退火證實了類魚眼狀腐蝕坑是退火期間與其他位錯發(fā)生反應(yīng)的移動位錯。

圖3 不同In摻雜濃度MCT材料位錯的SEM圖

一般用霍爾效應(yīng)測量半導(dǎo)體中載流子的運輸特性，可得到載流子類型、濃度和遷移率等電學(xué)參數(shù)。為了測量In摻雜MCT的電學(xué)性質(zhì)，在0.1Ｔ磁場強度、77 K溫度下對外延片進行霍爾測試（結(jié)果見表2）。原生未摻雜MCT外延片的霍爾測試結(jié)果顯示為p型，載流子濃度為4.86×101? cm?3，遷移率為356 cm2/（V·s）。由于MBE碲鎘汞為富碲生長，因此原生片表現(xiàn)為以汞空位為主的p型材料。

表2 不同In摻雜濃度時的霍爾測試結(jié)果

對于表2中所制備的未摻雜MCT外延層，經(jīng)過低溫汞空位補償后，n型濃度為7.42×101? cm?3，比In摻雜材料電子的有效遷移率值低。究其主要原因，是缺陷層中含有低遷移率局域電子。另外，當(dāng)電子濃度較低時，材料中存在的受主雜質(zhì)呈電離狀態(tài)，沒有施主電子的充分補償，其散射作用較明顯，導(dǎo)致遷移率較低。

利用SIMS測試了420℃源溫下生長的In摻雜MCT外延片（結(jié)果見圖4）?？梢钥闯?，In摻雜濃度約為2.9×101? cm?3?；魻枩y試中此原生材料的載流子濃度約為2.9×101? cm?3，遷移率為22294 cm2/（V·s）。在這項工作中研究的In摻雜MCT外延片接近100％載流子激活。

圖4 420℃源溫下生長的In摻雜MCT外延片的SIMS圖

不同摻雜濃度的MCT外延片在250℃汞飽和蒸氣壓下退火48 h后的載流子濃度和遷移率結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，退火后材料的電學(xué)性能有所改善，具體表現(xiàn)為載流子遷移率提高，載流子濃度沒有顯著變化。In摻雜能夠提高材料的均勻性，從而獲得較高的電子遷移率。

圖5 退火前后不同In摻雜濃度MCT的載流子濃度和遷移率分布圖

結(jié)束語

利用MBE系統(tǒng)生長了In摻雜硅基MCT材料?；谥苯訐诫s的方法，通過控制摻雜源溫度獲得了不同摻雜水平的MCT外延片。SIMS測試表明，摻雜濃度范圍為1×101?～2×101?cm?3。研究發(fā)現(xiàn)，在小于9×101?cm?3的摻雜范圍內(nèi)，In摻雜水平隨著In束流的增加而線性增加。對比不同In摻雜濃度的MCT組分、表面形貌和晶體質(zhì)量后可知，2×101?cm?3的低濃度摻雜并不會造成材料表面質(zhì)量的劣化和位錯密度的增加。利用霍爾測試對In摻雜MCT的載流子濃度、遷移率和導(dǎo)電類型進行了表征。

結(jié)果表明，In摻雜MCT外延片為n型導(dǎo)電；與未摻雜樣品相比，In摻雜材料的電子有效遷移率明顯提高。在250℃汞飽和蒸氣壓下退火后，In摻雜MCT外延片接近100%載流子激活。隨著焦平面陣列向大規(guī)格、高工作溫度發(fā)展，需要進一步對材料微觀結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)缺陷等的產(chǎn)生機理以及摻雜后材料電學(xué)性能的提升方法進行研究。

審核編輯：劉清