碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的Ⅰ區(qū)材料晶體質(zhì)量研究

常規(guī)的碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件一般采用non-p結(jié)構(gòu)，其中最為關(guān)鍵的雪崩Ⅰ區(qū)采用離子注入及推結(jié)退火的后成結(jié)工藝。這些工藝步驟將改變原生材料的性質(zhì)，前期理論模擬研究表明，雪崩Ⅰ區(qū)的質(zhì)量對(duì)APD器件的暗電流至關(guān)重要。因此，對(duì)于雪崩Ⅰ區(qū)真實(shí)材料性能的研究將對(duì)后續(xù)APD器件的工藝優(yōu)化提供有效基礎(chǔ)支撐。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中科院上海技術(shù)物理研究所紅外材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與毫米波學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的Ⅰ區(qū)材料晶體質(zhì)量研究”為主題的文章。該文章第一作者為沈川副研究員，通訊作者為陳路研究員，主要從事基于PIN結(jié)構(gòu)的碲鎘汞線性雪崩焦平面器件技術(shù)的研究工作。

本文通過單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比與分析，選取原生HgCdTe材料，對(duì)其進(jìn)行PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的全過程工藝模擬，形成大面積的雪崩Ⅰ區(qū)。采用微分霍爾、微分少子壽命等測試手段進(jìn)行材料表征，評(píng)估獲得了關(guān)鍵雪崩區(qū)域的真實(shí)材料晶體質(zhì)量。

實(shí)驗(yàn)過程

本文在CdZnTe襯底上采用LPE方法生長Hg空位摻雜的P型HgCdTe外延材料，經(jīng)過B+離子注入以及退火工藝后，由于Hg原子的填隙擴(kuò)散，形成PI-N結(jié)構(gòu)的平面結(jié)雪崩器件。圖1為其器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中N-區(qū)域即為由后成結(jié)工藝形成的雪崩Ⅰ區(qū)。

圖1 HgCdTe APD的二維結(jié)構(gòu)模型

單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，我們先選取外延后的材料切片成邊長為1 cm的正方形樣品，樣品組分為0.3254，HgCdTe層厚度為15.5 μm。成結(jié)工藝開始前，對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行表面缺陷以及XRD檢測，確保材料初始質(zhì)量性狀滿足并接近實(shí)際雪崩器件狀態(tài)。接著，通過常規(guī)的PIN成結(jié)工藝對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行相同的器件全過程工藝模擬。實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)過表面清洗、腐蝕、P型退火、阻擋層生長、離子注入以及推結(jié)退火等工藝過程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程幾乎完全模擬常規(guī)的器件工藝，以求能最大限度地模擬真實(shí)器件的Ⅰ區(qū)，獲得最接近真實(shí)器件的Ⅰ區(qū)材料狀態(tài)。其中，唯一的區(qū)別為離子注入時(shí)是材料全面積的注入過程。

雪崩Ⅰ區(qū)成型后，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行縱向的微分剝層，剝層精度控制在0.3~1 μm之間，測試溫度為80 K。每次的微分剝層中進(jìn)行霍爾濃度以及少子壽命的測量。整個(gè)縱向剝層從N+區(qū)經(jīng)過Ⅰ區(qū)，一直到達(dá)最后的P區(qū)，覆蓋整個(gè)PIN雪崩結(jié)構(gòu)，從而獲得了整個(gè)PIN結(jié)的材料霍爾濃度和少子壽命的分布情況。

結(jié)果分析

從前期的理論模擬以及暗電流研究可知，關(guān)鍵雪崩Ⅰ區(qū)的有效控制，是高性能HgCdTe雪崩焦平面器件制備的第一要素，包括Ⅰ區(qū)的輪廓參數(shù)和材料質(zhì)量性質(zhì)。因?yàn)槭呛蟪山Y(jié)工藝，且離子注入以及退火都會(huì)顯著地改變原生材料性狀，所以真實(shí)的Ⅰ區(qū)表征是考量后續(xù)工藝的關(guān)鍵因素。本文我們對(duì)Ⅰ區(qū)的材料質(zhì)量進(jìn)行了定量化的研究。

圖2為整個(gè)PIN結(jié)的材料霍爾濃度和總少子壽命的分布曲線。其中，橫坐標(biāo)為微分剝層的深度，0 μm處即為材料的表層位置。三角形點(diǎn)為各層的材料總少子壽命隨著深度的分布變化，圓形點(diǎn)為各層的材料霍爾濃度隨著深度的分布變化。圖2中，按照材料霍爾濃度的分布變化曲線，我們可以看到，其霍爾濃度在整個(gè)縱向有兩個(gè)大的跳變，分別是深度1 μm左右和深度8 μm左右。結(jié)合PIN結(jié)構(gòu)的成結(jié)特性，可以分析獲得材料表層0~0.9 μm為N+區(qū)域，P區(qū)在深度8.5 μm以上，而我們最關(guān)鍵的雪崩Ⅰ區(qū)在0.9~8.5 μm之間。

由此，從圖中我們分析Ⅰ區(qū)的少子壽命可以看到，隨著深度的增加，Ⅰ區(qū)的少子壽命呈現(xiàn)先有一段穩(wěn)定區(qū)然后慢慢降低的過程。結(jié)合霍爾濃度分布變化，可以確認(rèn)3~8 μm處的分布變化是由于穿透深度的原因。當(dāng)剝層表面到材料內(nèi)部P區(qū)界面的距離小于穿透深度時(shí)，測試值會(huì)受到P區(qū)影響，造成測試獲得的少子壽命值偏小，從而呈現(xiàn)隨著深度下降的現(xiàn)象。而大于穿透深度時(shí)，因?yàn)槲词艿絇區(qū)影響，所以認(rèn)為是準(zhǔn)確值。由此可見，圖中1~3 μm段的少子壽命表征的是真實(shí)Ⅰ區(qū)內(nèi)材料的少子壽命值，其均值約6.6 μs。

圖2 整個(gè)PIN結(jié)的材料霍爾濃度和總少子壽命的分布曲線圖

對(duì)于HgCdTe紅外探測器，少子壽命是決定探測器性能的重要參數(shù)，其由三種機(jī)制代表的三種少子壽命組成，分別為輻射壽命、俄歇壽命和SRH壽命。輻射機(jī)制是一個(gè)導(dǎo)帶非平衡電子和一個(gè)價(jià)帶非平衡空穴直接復(fù)合，產(chǎn)生的能量（大約等于禁帶寬度）以聲子的形式釋放。

俄歇機(jī)制是一種帶帶間的直接復(fù)合機(jī)制，一般分為俄歇1和俄歇7兩種，而俄歇1是n型半導(dǎo)體中的主要機(jī)制。

SRH機(jī)制是非平衡載流子通過禁帶中的復(fù)合中心能級(jí)復(fù)合的過程。SRH過程分兩步進(jìn)行：第一步是少子被復(fù)合中心俘獲，第二步是俘獲的少子和多子再結(jié)合，產(chǎn)生的能量以光子或聲子的形式釋放。SRH機(jī)制中的復(fù)合中心（簡稱為SRH復(fù)合中心）一般是由晶體的不完整性形成。所以，我們一般認(rèn)為SRH壽命的大小能用來表征材料的質(zhì)量。

這三種機(jī)制組成材料的總少子壽命，而且從公式可見，其隨著材料的溫度而變化。所以我們可以采用變溫少子壽命的方式，測量不同溫度下材料少子壽命的分布變化，然后擬合獲得相應(yīng)的SHR壽命，表征雪崩Ⅰ區(qū)的真實(shí)材料性能。

圖3 實(shí)驗(yàn)材料剝層厚度1.68 μm處實(shí)驗(yàn)值和理論值曲線

圖3為實(shí)驗(yàn)材料剝層厚度為1.68 μm處的少子壽命測量值隨溫度變化和各個(gè)機(jī)制下理論計(jì)算曲線。從80 K到280 K之間的溫度范圍內(nèi)，輻射壽命和俄歇壽命都遠(yuǎn)大于SRH壽命，因此，SRH壽命占主導(dǎo)地位。我們擬合獲得APD器件工作溫度80 K下SRH壽命大小為8664 ns。同樣的，對(duì)圖3中深度1~3 μm內(nèi)的所有測試數(shù)據(jù)點(diǎn)都進(jìn)行變溫少子壽命擬合，得到其80 K下都為SRH壽命占主導(dǎo)，且擬合獲得的SRH壽命的波動(dòng)范圍為8212~8822 ns。由此，我們可以判斷采用此材料下的PIN結(jié)構(gòu)成結(jié)工藝形成的雪崩Ⅰ區(qū)的SRH壽命平均值為8556 ns。

基于此SRH壽命值，我們代入APD器件的暗電流擬合模型，此模型在前期研究中已經(jīng)被證實(shí)與實(shí)驗(yàn)實(shí)測暗電流數(shù)據(jù)吻合度良好。經(jīng)過模型擬合計(jì)算獲得如圖4的PIN結(jié)構(gòu)HgCdTe APD器件的理論暗電流IV曲線，工作溫度為80 K，光敏元大小為20 μm×20 μm，其中Ⅰ區(qū)的SRH壽命值即為8556 ns。由前期研究表明，APD器件的暗電流在小偏壓下主要由SRH復(fù)合機(jī)制主導(dǎo)。圖中可以看到，小偏壓0~3 V下此材料能獲得的理論暗電流大小約為1×10?1? A。

圖4 基于8556 ns的Ⅰ區(qū)的APD暗電流擬合結(jié)果

進(jìn)一步地，基于上述相同的研究方法，我們評(píng)估了多個(gè)材料的雪崩Ⅰ區(qū)的SRH壽命，如圖5所示。圖中可以看到，其范圍值約在8~20 μs之間，這個(gè)范圍值依然在我們原生N型HgCdTe材料的SRH壽命相當(dāng)水平。相應(yīng)的擬合小偏壓下的理論暗電流最佳值為3.5×10?1? A，換算暗電流密度為8.7×10?1? A/cm2，滿足高質(zhì)量中波碲鎘汞雪崩器件的研制要求。當(dāng)然，最終決定實(shí)際APD器件的暗電流的因素中材料質(zhì)量是最基礎(chǔ)的，其他如PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、器件工藝（包括鈍化，接觸等）都是十分重要的。

圖5 多個(gè)HgCdTe材料的雪崩Ⅰ區(qū)的SRH壽命測試結(jié)果

結(jié)論

通過對(duì)PIN結(jié)構(gòu)雪崩Ⅰ區(qū)的材料少子壽命進(jìn)行表征，評(píng)估獲得了關(guān)鍵雪崩區(qū)域的真實(shí)材料的晶體質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有優(yōu)化工藝下雪崩區(qū)域的晶體質(zhì)量良好，擬合材料的SRH壽命最好能達(dá)到約20.7 μs，能達(dá)到原生材料SRH壽命的相當(dāng)水平，理論最優(yōu)的暗電流密度達(dá)到8.7×10?1? A/cm2，滿足高質(zhì)量中波碲鎘汞雪崩器件的研制要求，為后續(xù)新型焦平面器件的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

論文鏈接：

http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023164