碲镉汞p-on-n长波异质结探测器材料的制备研究

田 震,宋淑芳,王小菊,周立庆

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

HgCdTe材料由于本身是一种直接带隙半导体材料,并且具有可调的禁带宽度,可以覆盖整个红外波段,具备相对较高的工作温度等优点,使其成为一种理想的红外探测器材料。从20世纪70年代就开始被广泛应用于制备不同类型的红外探测器。近年来以大规模、多色、单光子、甚长波等为标志的第三代碲镉汞红外焦平面探测器得到了迅速的发展,主要出现了以B+注入n-on-p平面结和原位掺杂p-on-n台面异质结为代表的两类器件。B+注入形成n-on-p平面结是目前制备碲镉汞光伏探测器的通常方法,但是这种n-on-p平面型器件存在一些不可避免的缺点,这种传统的Hg空位p型材料应用到长波波段上,存在着载流子寿命短、结阻抗低等问题,制约了碲镉汞红外焦平面探测器的进一步发展[1]。而p-on-n双层异质结(DLHJ)器件是高R0A值和高性能的探测器代表。首先,因为原位掺杂的p-on-n异质结材料能避免离子注入引入的损伤,可以有效减少p-n结耗尽区以及表面的产生-复合电流,和缺陷辅助隧穿中心密度；通过能带结构的减裁,可以大大减少直接的隧穿几率,相应的减少了隧道电流的不利影响[2-3],从而极大地降低了器件的暗电流。其次,由于p-on-n异质结台面器件的n型吸收层多数载流子浓度低,少子寿命长,所以有较大的R0A值[4]。同时p-on-n异质结器件突变结浓度高的一侧p型层是宽禁带的材料,它能抑制光和热噪声,提高了器件的性能。

HgCdTe材料生长是一种非常困难的材料生长技术[5-6],主要可分为体材料生长和外延薄膜生长。外延薄膜生长包括液相外延(LPE)、金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等。LPE 从20世纪70 年代初期开始用于HgCdTe薄膜材料制备,即从饱和溶液中在碲锌镉(CdZnTe)衬底上生长外延层的方法。至20世纪90 年代LPE 已非常成熟,目前已经用于批量生产一代和二代探测器。液相外延生长是在高温溶液中进行的,与汽(气)相蒸发薄膜生长技术相比较,有以下几个优点:(1)生长过程接近于热力学平衡,LPE厚膜具有低缺陷,高结晶性能的优点。(2)溶液中比汽(气)相含有更高浓度的溶质,具有高生长速度的优点。(3)在非真空下成形,具有制备成本低的优点。目前国内外长波及甚长波碲镉汞探测器通常都是采用液相外延技术制备p-on-n双层异质结材料来实现高性能探测器组件的制备。甚长波(VLWIR,12～25 μm)探测器对于空间红外系统的研发具有关键作用,在导弹预警侦察等战略应用中,背景经常是温度非常低的冷太空,背景噪声只有地面场景的千分之一到万分之一。这是为了从远距离冷弱目标中接收更多的光子,需要将探测器的截止波长扩展VLWIR 波段,是近年来探测器的一个发展趋势。

2 实 验

p+-on- n器件结构是针对抑制器件的产生一复合电流而提出的,将n型作为光敏元区,其载流子浓度可以控制在较低的水平,材料的少子寿命和扩散长度等性能指标均优于p型材料,器件的漏电流可以控制到更小。这一结构是针对长波及甚长波碲镉汞红外探测器的性能需求而发展起来的,对于中短波器件,n型吸收层材料的高迁移率对减小器件的串联电阻也是有利的。为抑制表面漏电,器件一般都采用双层组分异质(DLHJ)结构(图1)。该工艺是由美国Lockheed Martin IR Imaging System等公司发展起来的[7-9],器件采用台面结和CdTe钝化工艺。该技术能研制截止波长达17 μm的红外焦平面器件[10]。目前,该技术为美国雷神和BAE公司制备甚长波(λc>15μm)碲镉汞红外焦平面的主流技术,最新的进展可见相关报道[11]。

图1 p+-on-n台面异质结探测器的结构示意图

器件结构中的p型Cap层一般为高组分的碲镉汞外延层,掺杂浓度控制在1016～1018cm-3量级[12]。富汞LPE和MBE均能实现高组分As掺杂Cap层的生长,Cap的厚度为1～2 μm,n型吸收层一般为浓度在(2～5×1014cm-3之间的In掺杂材料。MBE工艺的优点是厚度控制能力强,材料表面平整性好,整个组分异质结构的外延连续进行,但As掺杂原子在生长工艺中主要占据Hg原子位,在电学性能上呈n型,需对材料进行高、低温热处理才能将As激活成受主,并消除材料中的汞空位。用富汞LPE工艺制备As掺杂Cap层的优点是As原子能在生长工艺中自然激活,材料仅需低温n型热处理即可。n型吸收层的制备一般采用组分和厚度控制能力较强的水平推舟液相外延工艺,材料的位错密度可控制在较低的水平(<5×104cm-2),更适用于对性能要求更高的长波及甚长波碲镉汞红外探测器的制备[13]。

本文将采用目前器件性能最好的碲镉汞双层异质结外延材料制备技术,由富碲水平推舟液相外延In掺杂和富汞垂直液相外延As掺杂技术组成:采用水平液相外延技术在碲锌镉衬底材料上外延掺In碲镉汞材料,形成n型层,其中镉组分x在0.20～0.21之间,截止波长约为12～13 μm。载流子浓度为5×1014～1×1015/cm3,迁移率约为1×105cm2/V·s。利用富汞垂直液相生长技术在吸收层材料上生p型cap层材料,材料厚度1～2 μm,载流子浓度为1×1017～1×1018/cm3,经过腐蚀台面、生长钝化膜、镀金属电极和制备铟柱等工艺,获得了 p+-on-n台面异质结的光伏器件。

2.1 n型吸收层材料外延生长

采用富碲水平液相外延技术实现外掺杂时,杂质在生长溶液中的溶解度以及在生长过程中的分凝系数将起决定性的作用。由于铟在富碲生长溶液中可以任意比例溶解,而且掺入铟后溶液的性质不发生明显的改变,这些特点使得采用富碲液相外延生长方式掺入铟比较容易实现,生长后的碲镉汞薄膜材料也不需要进行热激活处理,就能实现铟杂质元素的100%激活,成为当前碲镉汞探测器制备技术中最主要的n型掺杂方式。作为吸收层的n型材料,其掺杂的浓度可以控制在5×1014～2×1015cm-3的范围内,要低于通常p型掺杂所能控制的浓度控制范围:1×1017～2×1018cm-3,可以有效控制暗电流和光致电流的大小,使其R0A值要比n-on-p同质结构的探测器组件高近一个数量级的差距。

对于甚长波碲镉汞薄膜材料(x=0.20),材料的载流子浓度与In掺杂浓度和Hg偏压的平方根成正比,激活能只有11 eV,扩散系数为5×1014cm2/V·s(300 K)。调整In的掺杂浓度及碲镉汞母液配方、外延薄膜组份以及生长条件等工艺参数,优化液相外延生长工艺,制备出了高质量的甚长波碲镉汞n型原位掺杂薄膜材料(如图2所示),材料的双晶衍射半峰宽小于30 arcsec,位错密度低于1×105cm-2。

图2 双层异质结碲镉汞吸收层材料位错密度及X双晶衍射半峰宽测试结果

2.2 p型cap层材料生长

在碲镉汞外延材料的制备过程中,p型材料的掺杂技术是最困难的,最先采用的技术是通过控制汞空位的浓度来控制p型碲镉汞材料的载流子浓度,但由于汞空位在碲镉汞材料中会形成Shockley-Read-Hall复合中心,严重限制了碲镉汞材料中的少子寿命。本文采用富Hg垂直液相外延技术能够以原位生长方式实现As掺杂并直接激活成受主的外延技术。在工艺上,富Hg液相外延存在着Hg压高所带来的特殊困难,在450 ℃生长,Hg压可高达10 atm左右,而且富Hg母液的Cd 含量很小,一般仅为万分之几,外延过程中Cd 的耗尽将会很明显,cap层材料存在较大的组分梯度变化,对器件性能存在较大的影响。

图3中通过二次离子质谱仪(SIMS)测试结果表明cap层的材料厚度约为1.6 μm,As的掺杂浓度约为5×1017cm-3的范围。利用霍尔测试的方法,测量采用富汞垂直液相外延工艺生长后的cap层材料载流子浓度类型及其浓度和迁移率,测试结果如表1所示。比较不同目标浓度的SIMS测试As掺杂浓度结果和霍尔载流子的结果,可知采用这种工艺As掺杂元素不需要进行热处理过程就已经激活,激活率接近100%,能够满足p+-on-n器件的制备需求。采用富汞垂直液相外延工艺直接生长的Cap层材料迁移率较低,可以通过后续的热处理工艺进一步优化材料的电学性能。

图3 p+-on-n双层异质结碲镉汞材料组分及掺杂浓度分布SIMS测试结果

表1 cap层As掺杂材料电学性能测试结果

2.3 长波碲镉汞探测器芯片

为验证p+-on-n长波双层异质结材料性能,本文采用集成了ICP干法刻蚀和湿化学腐蚀工艺来分离光敏感元微台面列阵,在经过微台面阵列钝化、金属化合铟柱列阵制备等工艺获得128×128、30 μm像元中心间距的p+-on-n台面结器件。器件在77 K下的中测结果表明,器件的的响应截止波长为12.3 μm,光敏元的I-V和R-V特性曲线表现出良好的二极管特性,对比发现其R0A值要明显优于相同波段的n-on-p平面结碲镉汞红外探测器水平(图4),达到了10 Ω·cm2的水平。目前存在的主要问题是台面器件工艺还不成熟,工艺重复性较差,台面刻蚀及钝化工艺引起的漏电流较大等问题需要进一步的研究和优化。

图4 各国主要研究机构长波及甚长波探测器器件结构性能对比

3 结 论

综上所述,本文对于p-on-n双层异质结碲镉汞薄膜材料的制备和性质进行了研究,采用富碲水平液相外延和富汞垂直液相外延生长技术制备了As掺杂的的p+-on-n型双层异质结材料,77 K温度下其响应波长大于12 μm,n型掺铟吸收层的位错密度小于1×105cm-2,迁移率达到了1×105cm2/V·s；p型cap层的材料的生长厚度为1～2 μm,载流子浓度为1×1017～2×1018cm-3,掺杂As元素的激活率接近100%,并制备了128×128阵列,30μm中心间距的p+-on-n型异质结台面型芯片对材料的性能进行了验证,I-V特性要明显优于目前主流平面结工艺的水平,R0A值达到了10 Ω·cm2的水平,能有效提高目前长波及甚长波碲镉汞红外焦平面器件性能水平,满足应用需求。

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