大尺寸碲锌镉基碲镉汞材料分子束外延技术研究

高 达,李 震,王 丹,徐强强,刘 铭

(华北光电技术研究所,北京 100015)

1 引 言

碲锌镉(CdZnTe)材料和碲镉汞(HgCdTe)材料具有相同的闪锌矿晶体结构,外延生长晶格失配小、对红外波段完全透过、热膨胀系数相近,因此,碲锌镉衬底是制备第三代碲镉汞红外焦平面阵列探测器不可或缺的衬底材料[1]。目前,碲镉汞材料常用的生长方法为外延生长,特别是分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE),因其在低温下生长(185℃左右)并且能够实现多层异质结生长并实现精确在线控制,所以MBE方法是生长高性能、双色及高温工作碲镉汞材料的首选外延方法[2-3]。

当前,第三代碲镉汞红外焦平面正朝着大面阵、高性能、双多色集成的方向发展[4],国际上的第三代碲镉汞红外焦平面已达到了4 k × 4 k的规模[5]。为实现第三代碲镉汞红外焦平面探测器技术发展,需要研究使用分子束外延的方法在大尺寸碲锌镉衬底上外延碲镉汞材料的技术。

本文通过对碲锌镉衬底湿化学腐蚀、碲锌镉衬底预处理、碲锌镉衬底缓冲层生长、碲锌镉基碲镉汞材料工艺开发、碲锌镉基碲镉汞材料缺陷分析等方面的研究,开发出了能够稳定获得50 mm×50 mm(211)B碲锌镉基碲镉汞材料的分子束外延工艺。

2 实验

实验使用高质量50 mm×50 mm(211)B碲锌镉衬底由华北光电技术研究所制备,该碲锌镉衬底采用0.01 vol %溴甲醇腐蚀,相对较高浓度的溴甲醇腐蚀,0.01 vol %溴甲醇能够获得粗糙度更低的碲锌镉衬底表面,能够有效地提高碲锌镉基碲镉汞材料质量与工艺重复性。衬底清洗、吹干后直接转入分子束外延系统。[3]

实验使用的分子束外延设备为芬兰DCA分子束外延系统,系统配有CdTe源、Te源和阀控Hg源,采用无铟粘接钼托的方式固定,外延表面温度通过热偶、BandiT温度测量系统共同标定。外延表面质量通过反射式高能电子衍射仪(Reflective High Energy Electron Diffraction,RHEED)监控。碲锌镉衬底转入腔室后首先需要加热到250 ℃去除表面富Te层,然后生长100 nm CdTe缓冲层进一步降低衬底表面粗糙度,提升衬底表面质量。

在碲镉汞材料生长工艺中,由于碲锌镉衬底采用无铟粘接钼托方式固定,通过衬底背面加热器热辐射加热,且随着碲镉汞材料厚度增加,外延片发射率发生变化,因此需要通过BandiT测温系统实时表征外延表面温度,通过衬底加热温度控制外延表面温度,使外延表面温度保持在碲镉汞材料生长温度窗口内。

碲镉汞材料组分及厚度采用傅里叶红外透射光谱仪表征,双晶衍射半峰宽采用高分辨率X射线衍射仪表征,缺陷与表面质量采用扫描电子显微镜与光学显微镜表征。

3 结果与讨论

(211)B碲锌镉衬底表面粗糙度直接影响碲镉汞外延材料的质量,甚至直接影响分子束外延工艺的成败。我们选取采用0.01 vol %浓度的溴甲醇的腐蚀液,湿化学腐蚀30 s,如图1所示为其中腐蚀时间为30 s的(211)B碲锌镉衬底腐蚀前后的原子力显微镜 (atomic force microscope,AFM) 图。腐蚀后表面粗糙度约为1.1 nm,表面形貌均匀。[3]

图1 0.01 vol %溴甲醇腐蚀30s后(211) B碲锌镉衬底表面AFM图[3]

如图2所示为衬底腐蚀后的表面RHEED衍射图样,RHEED衍射条纹的出现表明衬底表面晶体质量、粗糙度良好,表明在溴甲醇溶液腐蚀(211)B碲锌镉衬底表面状态达到分子束外延碲镉汞材料的要求[3]。

图2 0.01 vol %溴甲醇腐蚀(211)B碲锌镉衬底 后表面RHEED衍射图样

碲锌镉衬底经过湿化学腐蚀,转移至分子束外延系统。在生长碲镉汞材料之前需要对衬底经过一系列的预处理。将衬底温度升至250 ℃,在Te束流保护下进行富Te层去除,通过RHEED图像分析富Te层去除效果。

经过前期碲锌镉衬底腐蚀工艺优化,衬底表面RHEED条纹已经较为清晰,代表表面晶体质量、粗糙度处于一个较高的水平。此时富Te层去除的RHEED图像较难分辨,如图3所示,与去富Te层之前比条纹稍微变长变细。

图3 (211)B碲锌镉衬底富Te层去除RHEED衍射图样

富Te层去除后紧接着生长100 nm CdTe缓冲层,生长温度250 ℃,生长速率1 Å/s,此过程是为了进一步降低衬底表面粗糙度,提升衬底表面质量。如图4所示,通过RHEED衍射条纹表征能够发现RHEED条纹亮度增加,更为清晰,代表衬底表面晶体质量进一步的提升。

图4 (211)B碲锌镉衬底缓冲层生长后RHEED衍射图样

在碲锌镉基碲镉汞材料生长工艺中,需要综合考虑外延发射率变化和碲锌镉衬底热导率,设置匹配碲镉汞材料组分与生长速率的降温曲线,从而使外延表面温度保持在碲镉汞材料生长温度窗口内,如图5所示,在碲镉汞生长前期主动的变化衬底加热器温度设定值,使外延表面温度处于碲镉汞生长温度窗口内,使用BandiT温度测量系统表征外延表面温度。另外,使用无铟粘接钼托的技术路线下将碲锌镉衬底尺寸从常用的20 mm×25 mm提升至50 mm×50 mm,需要注意外延表面的温度均匀性和束流均匀性,我们采用双温区的衬底加热器解决温度均匀性问题,采用改进型的坩埚结构和原料形状解决束流均匀性问题,与同期4 in硅基碲镉汞材料验证结果来看,能够获得较好的碲镉汞材料参数均匀性[6]。

图5 碲锌镉基碲镉汞材料工艺降温曲线

在束流方面,碲锌镉基碲镉汞与其他衬底材料体系所使用的Hg/Te比,CdTe/Te比完全相同,因此不在这里赘述。如图6所示,通过RHEED衍射条纹分析,条纹清晰,衍射条纹长,条纹上有亮点,代表碲镉汞晶体材料质量整体较好,但稍微有些富汞。

图6 碲锌镉基碲镉汞材料生长后RHEED衍射图样

生长结束后碲锌镉基碲镉汞材料组分及厚度采用傅里叶红外透射光谱仪表征如表1和图8所示,缺陷与表面质量采用扫描电子显微镜与光学显微镜表征如图8～10所示,双晶衍射半峰宽采用高分辨率X射线衍射仪表征如图11所示。

表1 50 mm×50 mm 碲锌镉基碲镉汞材料FTIR测量结果

图7 50 mm×50 mm 碲锌镉基碲镉汞材料红外透过光谱

图8 50 mm×50 mm 碲锌镉基碲镉汞材料照片

图9 50 mm×50 mm 碲锌镉基碲镉汞材料 光学显微镜200倍下成像照片

图10 50 mm×50 mm 碲锌镉基碲镉汞材料扫描电镜下缺陷照片

图11 50 mm×50 mm碲锌镉基碲镉汞材料双晶衍射半峰宽

分子束外延碲锌镉基碲镉汞材料组分均值为0.2160,截止波长11.39 μm,厚度均值为6.06 μm,且材料均匀性良好；材料表面光亮呈镜面,表面缺陷密度(直径大于2 μm缺陷)在2000 cm-2左右,使用扫描电镜对缺陷形貌进行分析,大部分缺陷类型为富汞缺陷,与RHEED图像中反映的富汞生长条件相验证；双晶衍射半峰宽在(35±5)arcsec范围内,表明获得的长波碲镉汞材料晶体质量良好。

4 结 论

本文通过对碲锌镉衬底改进湿化学腐蚀、碲锌镉衬底预处理、碲锌镉衬底缓冲层生长、碲锌镉基碲镉汞材料工艺开发、碲锌镉基碲镉汞材料缺陷分析等方面的研究,开发出了能够稳定获得碲锌镉基碲镉汞材料的工艺。材料质量、材料参数均匀性达到较高水平,表明大尺寸50 mm×50 mm 碲锌镉基碲镉汞材料工艺开发成功。

在后续的研究中,需要继续深入研究在生长过程中的碲镉汞材料组分控制、碲镉汞材料缺陷控制两个问题,以期获得组分控制精确、材料质量更高的大尺寸长波碲锌镉基碲镉汞外延材料。