大尺寸碲鋅鎘基碲鎘汞材料分子束外延技術研究

高 達,李 震,王 丹,徐強強,劉 銘

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

碲鋅鎘(CdZnTe)材料和碲鎘汞(HgCdTe)材料具有相同的閃鋅礦晶體結構,外延生長晶格失配小、對紅外波段完全透過、熱膨脹系數相近,因此,碲鋅鎘襯底是制備第三代碲鎘汞紅外焦平面陣列探測器不可或缺的襯底材料[1]。目前,碲鎘汞材料常用的生長方法為外延生長,特別是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE),因其在低溫下生長(185℃左右)并且能夠實現多層異質結生長并實現精確在線控制,所以MBE方法是生長高性能、雙色及高溫工作碲鎘汞材料的首選外延方法[2-3]。

當前,第三代碲鎘汞紅外焦平面正朝著大面陣、高性能、雙多色集成的方向發展[4],國際上的第三代碲鎘汞紅外焦平面已達到了4 k × 4 k的規模[5]。為實現第三代碲鎘汞紅外焦平面探測器技術發展,需要研究使用分子束外延的方法在大尺寸碲鋅鎘襯底上外延碲鎘汞材料的技術。

本文通過對碲鋅鎘襯底濕化學腐蝕、碲鋅鎘襯底預處理、碲鋅鎘襯底緩沖層生長、碲鋅鎘基碲鎘汞材料工藝開發、碲鋅鎘基碲鎘汞材料缺陷分析等方面的研究,開發出了能夠穩定獲得50 mm×50 mm(211)B碲鋅鎘基碲鎘汞材料的分子束外延工藝。

2 實驗

實驗使用高質量50 mm×50 mm(211)B碲鋅鎘襯底由華北光電技術研究所制備,該碲鋅鎘襯底采用0.01 vol %溴甲醇腐蝕,相對較高濃度的溴甲醇腐蝕,0.01 vol %溴甲醇能夠獲得粗糙度更低的碲鋅鎘襯底表面,能夠有效地提高碲鋅鎘基碲鎘汞材料質量與工藝重復性。襯底清洗、吹干后直接轉入分子束外延系統。[3]

實驗使用的分子束外延設備為芬蘭DCA分子束外延系統,系統配有CdTe源、Te源和閥控Hg源,采用無銦粘接鉬托的方式固定,外延表面溫度通過熱偶、BandiT溫度測量系統共同標定。外延表面質量通過反射式高能電子衍射儀(Reflective High Energy Electron Diffraction,RHEED)監控。碲鋅鎘襯底轉入腔室后首先需要加熱到250 ℃去除表面富Te層,然后生長100 nm CdTe緩沖層進一步降低襯底表面粗糙度,提升襯底表面質量。

在碲鎘汞材料生長工藝中,由于碲鋅鎘襯底采用無銦粘接鉬托方式固定,通過襯底背面加熱器熱輻射加熱,且隨著碲鎘汞材料厚度增加,外延片發射率發生變化,因此需要通過BandiT測溫系統實時表征外延表面溫度,通過襯底加熱溫度控制外延表面溫度,使外延表面溫度保持在碲鎘汞材料生長溫度窗口內。

碲鎘汞材料組分及厚度采用傅里葉紅外透射光譜儀表征,雙晶衍射半峰寬采用高分辨率X射線衍射儀表征,缺陷與表面質量采用掃描電子顯微鏡與光學顯微鏡表征。

3 結果與討論

(211)B碲鋅鎘襯底表面粗糙度直接影響碲鎘汞外延材料的質量,甚至直接影響分子束外延工藝的成敗。我們選取采用0.01 vol %濃度的溴甲醇的腐蝕液,濕化學腐蝕30 s,如圖1所示為其中腐蝕時間為30 s的(211)B碲鋅鎘襯底腐蝕前后的原子力顯微鏡 (atomic force microscope,AFM) 圖。腐蝕后表面粗糙度約為1.1 nm,表面形貌均勻。[3]

圖1 0.01 vol %溴甲醇腐蝕30s后(211) B碲鋅鎘襯底表面AFM圖[3]

如圖2所示為襯底腐蝕后的表面RHEED衍射圖樣,RHEED衍射條紋的出現表明襯底表面晶體質量、粗糙度良好,表明在溴甲醇溶液腐蝕(211)B碲鋅鎘襯底表面狀態達到分子束外延碲鎘汞材料的要求[3]。

圖2 0.01 vol %溴甲醇腐蝕(211)B碲鋅鎘襯底 后表面RHEED衍射圖樣

碲鋅鎘襯底經過濕化學腐蝕,轉移至分子束外延系統。在生長碲鎘汞材料之前需要對襯底經過一系列的預處理。將襯底溫度升至250 ℃,在Te束流保護下進行富Te層去除,通過RHEED圖像分析富Te層去除效果。

經過前期碲鋅鎘襯底腐蝕工藝優化,襯底表面RHEED條紋已經較為清晰,代表表面晶體質量、粗糙度處于一個較高的水平。此時富Te層去除的RHEED圖像較難分辨,如圖3所示,與去富Te層之前比條紋稍微變長變細。

圖3 (211)B碲鋅鎘襯底富Te層去除RHEED衍射圖樣

富Te層去除后緊接著生長100 nm CdTe緩沖層,生長溫度250 ℃,生長速率1 ?/s,此過程是為了進一步降低襯底表面粗糙度,提升襯底表面質量。如圖4所示,通過RHEED衍射條紋表征能夠發現RHEED條紋亮度增加,更為清晰,代表襯底表面晶體質量進一步的提升。

圖4 (211)B碲鋅鎘襯底緩沖層生長后RHEED衍射圖樣

在碲鋅鎘基碲鎘汞材料生長工藝中,需要綜合考慮外延發射率變化和碲鋅鎘襯底熱導率,設置匹配碲鎘汞材料組分與生長速率的降溫曲線,從而使外延表面溫度保持在碲鎘汞材料生長溫度窗口內,如圖5所示,在碲鎘汞生長前期主動的變化襯底加熱器溫度設定值,使外延表面溫度處于碲鎘汞生長溫度窗口內,使用BandiT溫度測量系統表征外延表面溫度。另外,使用無銦粘接鉬托的技術路線下將碲鋅鎘襯底尺寸從常用的20 mm×25 mm提升至50 mm×50 mm,需要注意外延表面的溫度均勻性和束流均勻性,我們采用雙溫區的襯底加熱器解決溫度均勻性問題,采用改進型的坩堝結構和原料形狀解決束流均勻性問題,與同期4 in硅基碲鎘汞材料驗證結果來看,能夠獲得較好的碲鎘汞材料參數均勻性[6]。

圖5 碲鋅鎘基碲鎘汞材料工藝降溫曲線

在束流方面,碲鋅鎘基碲鎘汞與其他襯底材料體系所使用的Hg/Te比,CdTe/Te比完全相同,因此不在這里贅述。如圖6所示,通過RHEED衍射條紋分析,條紋清晰,衍射條紋長,條紋上有亮點,代表碲鎘汞晶體材料質量整體較好,但稍微有些富汞。

圖6 碲鋅鎘基碲鎘汞材料生長后RHEED衍射圖樣

生長結束后碲鋅鎘基碲鎘汞材料組分及厚度采用傅里葉紅外透射光譜儀表征如表1和圖8所示,缺陷與表面質量采用掃描電子顯微鏡與光學顯微鏡表征如圖8～10所示,雙晶衍射半峰寬采用高分辨率X射線衍射儀表征如圖11所示。

表1 50 mm×50 mm 碲鋅鎘基碲鎘汞材料FTIR測量結果

圖7 50 mm×50 mm 碲鋅鎘基碲鎘汞材料紅外透過光譜

圖8 50 mm×50 mm 碲鋅鎘基碲鎘汞材料照片

圖9 50 mm×50 mm 碲鋅鎘基碲鎘汞材料 光學顯微鏡200倍下成像照片

圖10 50 mm×50 mm 碲鋅鎘基碲鎘汞材料掃描電鏡下缺陷照片

圖11 50 mm×50 mm碲鋅鎘基碲鎘汞材料雙晶衍射半峰寬

分子束外延碲鋅鎘基碲鎘汞材料組分均值為0.2160,截止波長11.39 μm,厚度均值為6.06 μm,且材料均勻性良好；材料表面光亮呈鏡面,表面缺陷密度(直徑大于2 μm缺陷)在2000 cm-2左右,使用掃描電鏡對缺陷形貌進行分析,大部分缺陷類型為富汞缺陷,與RHEED圖像中反映的富汞生長條件相驗證；雙晶衍射半峰寬在(35±5)arcsec范圍內,表明獲得的長波碲鎘汞材料晶體質量良好。

4 結 論

本文通過對碲鋅鎘襯底改進濕化學腐蝕、碲鋅鎘襯底預處理、碲鋅鎘襯底緩沖層生長、碲鋅鎘基碲鎘汞材料工藝開發、碲鋅鎘基碲鎘汞材料缺陷分析等方面的研究,開發出了能夠穩定獲得碲鋅鎘基碲鎘汞材料的工藝。材料質量、材料參數均勻性達到較高水平,表明大尺寸50 mm×50 mm 碲鋅鎘基碲鎘汞材料工藝開發成功。

在后續的研究中,需要繼續深入研究在生長過程中的碲鎘汞材料組分控制、碲鎘汞材料缺陷控制兩個問題,以期獲得組分控制精確、材料質量更高的大尺寸長波碲鋅鎘基碲鎘汞外延材料。