分子束外延In摻雜硅基碲鎘汞技術(shù)研究

隨著碲鎘汞紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(lái)越高。要實(shí)現(xiàn)載流子在較大范圍內(nèi)的控制以滿(mǎn)足各類(lèi)紅外探測(cè)器的要求，需要對(duì)碲鎘汞材料進(jìn)行摻雜。摻雜技術(shù)與pn結(jié)的性能及質(zhì)量相關(guān)?；趐-on-n器件結(jié)構(gòu)，n型摻雜時(shí)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(xún)報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)材料位錯(cuò)的影響。在低溫汞飽和蒸氣壓下對(duì)材料進(jìn)行了處理，然后測(cè)試了汞空位補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了質(zhì)量高、電學(xué)性能良好的In摻雜MCT材料制備。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

利用芬蘭DCA儀器公司生產(chǎn)的MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)在3 in Si（211）晶圓表面上生長(zhǎng)In摻雜MCT外延層。生長(zhǎng)之前，對(duì)Si晶圓襯底進(jìn)行表面預(yù)處理。經(jīng)過(guò)濕化學(xué)清洗過(guò)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(jìn)樣艙和緩沖室（進(jìn)行除氣），再將其轉(zhuǎn)入生長(zhǎng)腔室。首先進(jìn)行氫脫附，再經(jīng)過(guò)As鈍化、ZnTe緩沖層生長(zhǎng)，最后生長(zhǎng)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(zhǎng)MCT時(shí)直接打開(kāi)In源的擋板門(mén)。當(dāng)MCT生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)關(guān)閉所有擋板門(mén)，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(duì)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(jìn)行汞空位補(bǔ)償退火。將所有實(shí)驗(yàn)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(cè)試樣品材料的組分和厚度。用光學(xué)顯微鏡和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)MCT外延層的表面形貌。In摻雜水平通過(guò)SIMS進(jìn)行測(cè)試表征。對(duì)In摻雜MCT外延片進(jìn)行汞空位補(bǔ)償處理后，在液氮溫度下對(duì)其進(jìn)行了霍爾測(cè)試，以確定材料的類(lèi)型、載流子濃度和載流子遷移率。使用Chen腐蝕液來(lái)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(jìn)行了In梯度摻雜MCT薄膜的制備。在同一生長(zhǎng)過(guò)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(cè)摻雜的In離子濃度（結(jié)果見(jiàn)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(méi)有波動(dòng)，表明摻雜濃度均勻；改變摻雜源溫度時(shí)，出現(xiàn)明顯的陡峭坡度，說(shuō)明通過(guò)直接控制擋板門(mén)的開(kāi)關(guān)即可開(kāi)始或停止摻雜過(guò)程。使用單質(zhì)In可使組分為0.3左右的MCT材料實(shí)現(xiàn)1×101?～2×101?cm?3的摻雜濃度。

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

圖1 In梯度摻雜MCT的SIMS測(cè)試結(jié)果

生長(zhǎng)在硅襯底上的MCT薄膜的表面宏觀缺陷和內(nèi)部位錯(cuò)是影響紅外探測(cè)器性能的兩類(lèi)最重要的缺陷。相比于在晶格匹配的CdZnTe襯底上生長(zhǎng)MCT，在硅替代襯底中減小位錯(cuò)密度仍是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。在MBE過(guò)程中，生長(zhǎng)溫度和束流比對(duì)MCT外延層的位錯(cuò)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(huì)改變生長(zhǎng)速率和成分，而對(duì)表面形態(tài)沒(méi)有明顯影響。在理想的生長(zhǎng)溫度下，保持生長(zhǎng)溫度恒定，通過(guò)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(jìn)行了研究。

In摻雜實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)摻雜濃度進(jìn)行精確控制。通過(guò)調(diào)節(jié)In源溫度，測(cè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)In源溫度控制在435℃時(shí)，In的束流值為1.8×10?? Torr；直至溫度降低為400℃時(shí)，束流值與MBE腔內(nèi)背景值基本一致。圖2是In束流與SIMS測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行組分及厚度測(cè)量。測(cè)試點(diǎn)均勻分布，基本涵蓋整個(gè)3 in MCT外延片。樣品組分值在設(shè)計(jì)值0.3左右（見(jiàn)表1）。測(cè)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(zhǎng)的MCT厚度在4～5 μm之間?？梢钥闯觯贛BE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(cuò)1∶1對(duì)應(yīng)的腐蝕坑。圖3為不同In摻雜濃度MCT材料位錯(cuò)的SEM圖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(cuò)形狀，主要的腐蝕坑形態(tài)為三角形，同時(shí)也有少量?jī)A斜角形狀（綠色標(biāo)注）和類(lèi)魚(yú)眼狀（紅色標(biāo)注）。圖中三角形位錯(cuò)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(cuò)相關(guān)，類(lèi)魚(yú)眼狀腐蝕坑與具有1/2［011］Burgers向量的位錯(cuò)相關(guān)，斜坑的性質(zhì)比類(lèi)魚(yú)眼狀和三角形坑更復(fù)雜。他們利用循環(huán)熱退火證實(shí)了類(lèi)魚(yú)眼狀腐蝕坑是退火期間與其他位錯(cuò)發(fā)生反應(yīng)的移動(dòng)位錯(cuò)。

圖3 不同In摻雜濃度MCT材料位錯(cuò)的SEM圖

一般用霍爾效應(yīng)測(cè)量半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)輸特性，可得到載流子類(lèi)型、濃度和遷移率等電學(xué)參數(shù)。為了測(cè)量In摻雜MCT的電學(xué)性質(zhì)，在0.1Ｔ磁場(chǎng)強(qiáng)度、77 K溫度下對(duì)外延片進(jìn)行霍爾測(cè)試（結(jié)果見(jiàn)表2）。原生未摻雜MCT外延片的霍爾測(cè)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(zhǎng)，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(shí)的霍爾測(cè)試結(jié)果

對(duì)于表2中所制備的未摻雜MCT外延層，經(jīng)過(guò)低溫汞空位補(bǔ)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(shí)，材料中存在的受主雜質(zhì)呈電離狀態(tài)，沒(méi)有施主電子的充分補(bǔ)償，其散射作用較明顯，導(dǎo)致遷移率較低。

利用SIMS測(cè)試了420℃源溫下生長(zhǎng)的In摻雜MCT外延片（結(jié)果見(jiàn)圖4）。可以看出，In摻雜濃度約為2.9×101? cm?3?；魻枩y(cè)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(xiàng)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(zhǎng)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?？梢钥闯觯嘶鸷蟛牧系碾妼W(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(méi)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(yǔ)

利用MBE系統(tǒng)生長(zhǎng)了In摻雜硅基MCT材料。基于直接摻雜的方法，通過(guò)控制摻雜源溫度獲得了不同摻雜水平的MCT外延片。SIMS測(cè)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(duì)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(huì)造成材料表面質(zhì)量的劣化和位錯(cuò)密度的增加。利用霍爾測(cè)試對(duì)In摻雜MCT的載流子濃度、遷移率和導(dǎo)電類(lèi)型進(jìn)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(jìn)一步對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)缺陷等的產(chǎn)生機(jī)理以及摻雜后材料電學(xué)性能的提升方法進(jìn)行研究。

審核編輯：劉清