碲镉汞双色材料技术发展及现状

高 达，王 丛

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

从20世纪90年代初首次报道HgCdTe红外双色探测器以来，双色探测器一直是红外焦平面领域的一个研究热点，并且在红外探测器系统中实现了应用。双色探测器系统提供两个波段信息，可以抑制目标复杂背景。根据双波段信号，能够提取目标的热力学温度，因此在目标辨认，信号识别及抗干扰方面性能优于单色探测器。在地球物理、卫星遥感、军事预警跟踪方面有重要的应用价值。

双色探测器的材料主要有HgCdTe和量子阱(QWIPs)两种，两种材料各有优点。量子阱技术基于成熟的A3B5材料生长技术，由于这种技术在工业中应用较广，拥有很好的技术基础。因此QWIPs具有很高的产额，生长过程有很好的操作性，有利于降低成本和保证产品的一致性。HgCdTe红外探测器由Lawson等人于1959年首次报道，其禁带宽度随组分连续变化(－0.14～1.56 eV)，可以包含整个红外波段，这对于制备双色探测器件至关重要。HgCdTe还具有本征载流子浓度低(ni～1014cm－3)，电子有效质量小(me*～0.007 m0)，电子迁移率高(μe～105cm2/V·s)，载流子寿命长(τ～10－6s)，吸收系数大(～103cm－1)等特点，因此相对QWIPs具有更高的量子效率，更高的工作温度和更高的工作性能。在五十多年的研究中，HgCdTe技术已经积累了丰厚的技术成果，基本上满足双色红外探测器对材料的要求。

从1993年 SantaBarbaraResearchCenter(SBRC)第一次使用液相外延(LPE)技术，制备HgCdTe双色器件以来［1］，HgCdTe双色材料技术在近20年的研究中已经越来越成熟，制备出了高性能的双色器件用于各种军用或民用系统中。这其中，发达国家在HgCdTe双色器件方面的研究路线值得学习和借鉴，这也是本文写作的初衷，希望能在回顾国外研究机构在HgCdTe双色材料方面的技术路线中得到启发。

2 国外主要研究机构HgCdTe双色材料技术发展

2.1 简介

HgCdTe双色材料出现在20世纪90年代初，由于当时分子束外延(MBE)技术路线还不成熟，制备HgCdTe双色材料使用的是LPE技术。如SBRC在1993年使用LPE技术制备的64×64，61 μm双色HgCdTe器件，以及随后1994年制备的128 ×128，50μm 双色 HgCdTe器件［1］。但是由于LPE不能生长相近波段的HgCdTe材料，SBRC中止了LPE生产双色探测器的工作。但是LPE作为比较成熟的HgCdTe生长技术，没有被排除在双色材料的生长技术之外，这部分我们将在下面继续讲 到。1995 年，HughesResearch Laboratories(HRL)最早使用MBE技术生长出了HgCdTe双色材料［2］。相比而言，MBE技术在发展 HgCdTe双色材料方面更有优势:①可以精确控制厚度、结构与成分，形成陡峭的异质结构等，这符合双色探测器对于多层结构材料的需求;②外延生长的温度低，因此降低了界面热膨胀引入的晶格失配效应和衬底杂质对外延层的自掺杂扩散影响，这在一定程度上提高了材料性能;③MBE是一个超高真空的物理沉积过程，可以对生长和中断进行瞬时控制。因此，膜的组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。这对于双色材料不同组分吸收层的生长至关重要。发展到现在，HgCdTe双色技术已经有了长足的进步，Raytheon公司已经可以生长出8cm×8cm CdZnTe衬底和6in Si衬底高性能HgCdTe 双色材料［3］。

2.2 美国Raytheon公司

Raytheon在HgCdTe双色材料的研究可以追溯到SBRC和HRL，在先后合并了以上两家研究机构后，Raytheon继承了两家研究机构在双色HgCdTe材料方面的技术。Raytheon的HgCdTe双色器件始于SBRC使用LPE生长技术制备的双色HgCdTe材料。随着MBE技术的成熟，逐渐取代LPE成为制备双色HgCdTe材料的主要手段。1995年开始HRL用MBE技术陆续生长出HgCdTe双色材料，并在之后的时间里一直提高性能、降低成本，发展大面积、高性能的HgCdTe双色材料。

Raytheon公司制备HgCdTe双色材料采用的是VG-Semicon系列的MBE系统，最大尺寸为10英寸，使用光学椭偏仪严格控制组分和厚度，从衬底处理到薄膜生长各个步骤精益求精，力求达到材料的极限性能。Raytheon公司HgCdTe双色材料为n-p-n结构，生长在CdZnTe或Si衬底上，如图1所示。这个结构中，较长的波段处在整个结构的上方。整个结构可以在MBE生长条件下一次生长完成，并且在MBE生长过程中进行N型和P型掺杂。其中N型和P型掺杂剂分别为In和As。N型吸收层可以是从短波到甚长波的任何一种波长。N型掺杂浓度为1～3×1015cm－3。P型掺杂因为As在生长过程中低的粘附系数和容易落到Hg空位中两个原因，一直是HgCdTe技术的一个难点。Raytheon公司在HgCdTe P型掺杂的过程中，CdTe源和Te源处于周期性的打开状态，而As源一直处于打开状态，束流为1015atm－2s－1，Hg源也一直打开，从而加强Hg-As之间的键合。生长完成之后在250℃下退火，As掺杂浓度稳定在1017cm－3。［2］

图1 Raytheon公司n-p-n结构示意图

从表1中可以看出，Raytheon公司在将HgCdTe双色材料发展到一定程度之后没有一味追求制作大面阵的器件，而是从提高材料性能、节约成本出发，降低材料缺陷，发展Si基衬底。

2.3 DRS

DRS技术公司的HgCdTe双色器件可追溯到德克萨斯仪器公司红外防御集团。主要依靠LPE技术生长 HgCdTe材料，并依靠 HDVIP结构发展HgCdTe双色器件。DRS的HgCdTe双色器件的性能与HDVIP结构息息相关。这里，先简单描述一下HDVIP结构。

表1 Raytheon公司 HgCdTe双色材料性能表［2－9］

单色HDVIP器件是将钝化的HgCdTe薄膜用环氧树脂胶合于Si读出电路上，在HgCdTe薄膜刻蚀通道的过程中把一部分P型HgCdTe转变成N型HgCdTe，同时形成PN结。然后将金属沉积在通道中形成N型区与读出电路上的焊点互联。简单来说，HgCdTe双色器件就是两个单色HDVIP结构的叠加，如图2所示。单色HDVIP和双色主要有两个不同:①每层HgCdTe上多刻蚀出一个通道，并且为了互联与上一层HgCdTe之间的绝缘，两层之间需要沉积ZnS;②ZnS抗反膜沉积在结构的最上层，另外一片HgCdTe薄膜用环氧树脂胶合在第一个薄膜的上面。其中一个通道在上层的HgCdTe薄膜中刻蚀出来，同时在P型HgCdTe上产生N型区域。一个通道一直向下刻蚀到底层绝缘通道的金属层中。这是为了上一层的HgCdTe能够互联到读出电路当中。另一个通道没有实际作用，只是为了保证上下HgCdTe薄膜的一致性。随后金属沉积在上层薄膜的N型区和读出电路中形成互联。最后在整个器件表面镀上一层抗反膜，也就完成了整个器件的制作［10］。

图2 双色HDVIP结构示意图［10］

由于DRS的器件所用的材料是由LPE生长得到，HgCdTe材料的最优性能取决于CdZnTe衬底的质量。CdZnTe衬底的位错密度一般为104～105cm－2，HgCdTe 薄膜的位错密度在 105cm－2。满足长波材料在77K工作温度对于位错密度小于5×105cm－2的要求。

DRS公司没有和大部分研究机构一样，用MBE技术生长HgCdTe材料，而是使用LPE技术，依靠HDVIP结构制作双色器件。对于双色HgCdTe探测器，材料性能和器件结构同样重要，缺一不可。目前，DRS公司声称其可以依靠HDVIP结构制作三色乃至四色器件。

2.4 Sofradir

就双色 HgCdTe而言，法国的主要参与者是CEA-Leti和Sofradir。两个机构是合作关系，CEALeti定期将研究成果移交给Sofradir公司。

CEA-Leti在1998年制成第一批n-p-n结构中波红外双色二极管［11］，之后以n-p-p-n结构为基础构建HgCdTe双色红外焦平面器件［12］。如图3(a)所示，它可以理解为将两个n on p二极管背靠背连接，P型层中间以势垒层隔开。通过调节正反偏压，两个n on p二极管顺序的读出，这样也就可以读出一个或者两个波段的信号。第一层是In掺杂浓度为1017cm－3的N型层，之后为三层组分不相同的非掺杂P型层。Band 3为组分较大的势垒层，其他两层为吸收层。在Band4表面注入In形成另外一个PN 结［13］。

2005年，CEA-Leti为双色探测器开发出准平面工艺［14］，如图3(b)中所示。这种新技术较为简单，因为器件结构由用MBE生长的简单非掺杂三层结构组成，n-p-p-n材料结构相比少了一层N型层，其他生长过程基本相似，减少了生长过程中的步骤，提高了材料性能。在两个探测器中采用标准平面离子注入工艺制作二极管。

图 3 Sofradir双色 HgCdTe 材料结构剖面图［12，15－17］

注:*Sofradir于2004年开始使用Ge基制备HgCdTe双色材料，数据常与CdZnTe一起报道，没有详细数据，但可以推测，Ge基HgCdTe双色材料性能略低于CdZnTe基。

Sofradir公司制备HgCdTe双色材料采用的是Riber系列MBE制备系统。Sofradir公司生长双色HgCdTe材料主要解决如何控制不同组分的生长，组分的变化会导致材料缺陷密度的增加(大部分由Te沉积导致)。通过严格控制生长不同组分HgCdTe的衬底温度的方法来解决这个问题，并且得到了不错的效果。解决了组分变化的问题之后，Sofradir公司开始寻求更大面积和更降低成本的复合衬底，在这个过程上，是与美国Raytheon公司相似的，不过Sofradir公司使用的是他们更加熟悉的Ge作为复合衬底。

2.5 SELEX

英国作为HgCdTe材料的发源地，在HgCdTe技术方面有着深厚的理论基础。Selex公司继承了英国在HgCdTe方面技术理论，并于2006年研发出双色和三色HgCdTe红外探测器件［18］。与主流双色HgCdTe材料生长方式不同，Selex公司选择在(100)GaAs衬底上使用MOVPE的方式生长HgCdTe。与MBE生长方式相比，MOVPE具有更高的生长速率，因此更加提高生产效率和节省成本。Selex公司MOVPE工艺生长温度较高，在350℃以上，与Si基HgCdTe相似，先在300℃温度下在GaAs衬底上生长一层CdTe缓冲层，然后再生长HgCdTe［19］。与Raytheon公司技术路线相似，Selex选择n-p-n结构制作HgCdTe双色器件。不同于Raytheon的In、As双掺杂，Selex用 I、As双掺杂，掺杂浓度均为 1017cm－3。如图4所示。

图4 SELEX HgCdTe双色器件结构示意图

表3列举了Selex双色HgCdTe探测器的主要性能参数。可以看出，Selex公司MOVPE生长的HgCdTe双色探测器在性能上已经不低于MBE生长的HgCdTe双色探测器的性能。

表3 SELEX HgCdTe双色探测器［19］

3 结论

通过总结国外研究机构在HgCdTe双色材料方面的成就，不难看出，每个研究机构的HgCdTe双色材料的发展是在其HgCdTe单色材料的技术基础上发展出来的。根据自身的技术特点寻求适合自身的技术路线才是发展HgCdTe双色材料正确的道路。材料性能是制备HgCdTe双色探测器的首先需要克服的困难，之后还有诸如刻蚀、读出电路、互联等一系列的问题需要解决。发展HgCdTe双色探测器技术，任重而道远。

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