HgCdTe/CdZnTe晶格失配与X光衍射貌相的关系研究

文章采用富Te水平推舟液相外延工艺在CdZnTe衬底上生长了HgCdTe外延薄膜。研究了外延薄膜／衬底晶格失配度、X光衍射貌相、红外焦平面器件探测率三者之间的关系。对于HgCdTe外延层的X光衍射貌相我们将其大致分为五类，分别是Crosshatch貌相、混合貌相、均匀背景貌相、Mosaic貌相以及由衬底质量问题引起的沟壑状貌相，采用Crosshatch貌相和混合貌相材料所制备的红外焦平面器件，平均来说其探测率（D^＊）较高。X射线双轴衍射的实验结果表明，当外延层与衬底的晶格失配度为～0．03％时，外延层会呈现明显的Crosshatch貌相；而当失配度减小时，会逐渐呈现出混合貌相、均匀背景貌相、直至失配度为负值时呈现Mosaic貌相。因此，对于特定截止波长的HgCdTe焦平面器件，可以通过控制HgCdTe／CdZnTe之间的失配，生长出符合我们要求的貌相的碲镉汞外延材料，从而来提高焦平面器件的性能。

MOVPE法生长HgCdTe/CdZnTe结构薄膜研究

碲锌镉(CdZnTe)衬底是生长红外焦平面列阵(IRFPAs)所用碲镉汞(HgCdTe)薄膜材料的首选衬底.本文讨论在单晶的碲锌镉衬底上,用MOVPE法生长一层碲锌镉过渡层,可以避免单晶碲锌镉衬底的一些杂质和缺陷延伸到碲镉汞薄膜材料中而影响到碲镉汞薄膜的结构质量.实验表明,有碲锌镉过渡层的碲镉汞薄膜的结构质量有了较大改善.

分子束外延HgCdTe/CdZnTe(211)B表面缺陷研究

HgCdTe材料的表面缺陷是造成探测器性能下降的主要原因之一。采用聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和能量色散X射线光谱仪(Energy Dispersive X-ray Spectrometer,EDX)研究了碲锌镉(CdZnTe)基HgCdTe外延层的表面缺陷。通过分析不同类型缺陷形成的原因,确定缺陷起源于HgCdTe材料生长过程。缺陷的形状与生长条件关系密切。凹坑及火山口状缺陷与Hg缺乏/稍高生长温度、分子束源坩埚中材料形状变化造成的不稳定束流有关。金刚石状缺陷和火山口状/金刚石状复合缺陷的产生与Hg/Te高束流比、低生长温度相关。在5 cm×5 cm大小的CdZnTe(211)B衬底表面上生长出了组分为0.216、厚度约为6.06~7μm的高质量HgCdTe外延层。同时还建立了缺陷类型与HgCdTe薄膜生长工艺的关系。该研究对于制备高质量HgCdTe/CdZnTe外延层具有参考意义。

具有组分梯度的HgCdTe探测器在激光测量中的潜在应用

该文将组分梯度引入HgCdTe探测器结构设计中,提出了一种可以降低PN结附近热激发载流子浓度的方法。建立暗电流机制模型,分析高温下暗电流成份,分析结果表明,降低热激发载流子浓度对结区的影响是提高器件工作温度的关键。利用组分梯度在PN结附近构建不同的电场,不同电场下样品暗电流和噪声电流随温度的变化曲线表明,构建的电场越强,降低结区附近热激发载流子浓度的效果越明显。通过数据分析,提出构建103 V/cm量级的组分梯度内建电场可抑制热激发载流子向结区的扩散运动,有效地降低结区附近热激发载流子浓度。

分子束外延中波/中波双色HgCdTe材料研究

采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)法制备了高质量的npn型中波/中波双色HgCdTe材料。利用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,FTIR)、二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy,SIMS)、X射线双晶衍射仪(X-Ray double-crystal Diffractometer,XRD)分别测试了材料组分、厚度、元素分布和平均半峰宽等参数。结果表明,材料底部n型吸收层的碲镉汞组分为0.318,厚度为7.15 m;p型层的组分为0.392,厚度为2.47 m;顶部n型吸收层的组分为0.292,厚度为4.71 m。As掺杂浓度约为3×10^(18)cm^(-3),In掺杂浓度为4×10^(15)cm^(-3),平均半峰宽约为95 arcsec,表明该材料具有良好的质量。利用聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、X射线能谱仪(Energy-Dispersive X-ray spectrometer,EDX)测试表征了HgCdTe外延材料表面缺陷的形貌,确认缺陷主要受生长温度和Hg/Te束流比等生长参数的影响。

热处理GaSb衬底对近距离升华法制备CdZnTe外延膜的影响

衬底的表面质量对生长膜层的质量有重要影响,衬底表面的粗糙度、均匀性、附着物残留及氧化层均是其表面质量的评价标准。本文报道了一种热处理方法,通过近距离升华设备原位去除GaSb(001)衬底上的氧化层后用于制备CdZnTe外延膜。通过控制热处理的温度和时间,获得洁净且平整的较优衬底状态。利用原子力显微镜和X射线光电子能谱表征了热处理对GaSb衬底形貌和成分的影响,采用双晶X射线摇摆曲线对经过热处理后的GaSb衬底上生长的CdZnTe外延膜的结晶质量进行了评价。为了深入研究这种异质界面附近微观缺陷的性质和外延形成机制,还对CdZnTe/GaSb截面进行了TEM分析研究。GaSb衬底在600℃经过180 s热处理后,可以去除衬底表面大部分氧化物且相对平整,提高了CdZnTe外延膜的结晶质量,在双晶X射线摇摆曲线中的半峰全宽为94″,接近已报道的块体CdZnTe晶体的结晶质量。

HgCdTe/CdZnTe液相外延材料的倒易空间图研究

采用高分辨X射线衍射的倒易空间图研究了HgCdTe/CdZnTe(-0.044%晶格失配)液相外延材料界面处晶格结构,结果显示,通常使用的10μm厚的碲镉汞液相外延材料的晶格相对碲锌镉衬底已处于完全弛豫状态,并且外延层和衬底的晶向发生了0.01°的偏离,但是,由于外延层中存在着组分梯度以及衬底和外延层热膨胀系数存在着差异,界面处外延层中仍存在着应力和应变。对称衍射和非对称衍射的实验结果均显示外延材料的倒易空间图沿垂直于散射矢量方向有所扩展,这一结果表明晶格失配的弛豫使得界面处外延层的晶体结构呈镶嵌结构。实验也发现,外延层的非对称衍射倒易空间图的扩展偏离散射矢量方向,根据弛豫线模型,这也是由于界面处外延层存在组分梯度和应变梯度所造成的。

近化学计量比的HgCdTe薄膜表面处理方法

本文采用X射线光电子能谱检测技术分别对溴-甲醇(Br_(2):Me)、溴-氢溴酸(Br_(2):HBr)和溴-氢溴酸-乙二醇(Br_(2):HBr:Eg)3种体系的腐蚀液处理后的HgCdTe表面状态进行了研究,结果表明这3种溴基腐蚀液均会造成HgCdTe表面富碲(Te^(0)),且富碲程度为(Br_(2):HBr:Eg)<(Br_(2):HBr)<(Br_(2):Me)。为了获得接近化学计量比的表面,一般采取先氧化富碲为TeO_(2)后腐蚀的方式去除表面富碲,然而,湿法腐蚀去除表面富碲的方法存在各种缺点。等离子体氧化具有氧化性强,工艺稳定,安全环保等优点,因此本文通过氧等离子体氧化Br_(2):HBr:Eg处理后的HgCdTe表面,进一步研究了盐酸、乳酸和氢氧化铵溶液腐蚀去除HgCdTe表面氧化物的情况,结果表明低浓度的盐酸能够较彻底地去除HgCdTe表面氧化物且不引入碳等其他污染物。在此接近化学计量比的表面制备的CdTe钝化膜与HgCdTe界面孔洞大小及数量显著减小,说明CdTe/HgCdTe界面的缺陷密度更低。

10μm 1280×1024 HgCdTe中波红外焦平面阵列探测性能提升

对像元尺寸为10μm的1280×1024碲镉汞(HgCdTe)中波红外焦平面阵列的制备技术和性能进行了研究。通过B+注入制备小尺寸n-on-p平面结;采用高平整度HgCdTe外延材料和高精度的倒焊互连技术,实现高的电学连通率;采用多段温度填胶固化和边缘刻蚀工艺减轻HgCdTe器件和读出集成电路(ROICs)之间的热失配,从而降低焦平面器件失效率。在85 K焦平面工作温度下,研制探测器的光谱响应范围为3.67μm至4.88μm,有效像元率高达99.95%,并且探测器组件像元的平均噪声等效温差(NETD)和暗电流密度的平均值分别小于16 mK和2.1×10^(-8)A/cm^(2)。与像元尺寸为15μm的探测器相比,10μm的1280×1024中波红外探测器可获取更加精细的图像,具有更远的识别距离。目前,该技术已成功转移到浙江珏芯微电子有限公司(ZJM)的HgCdTe红外探测器产线。

CdZnTe中富碲沉积相缺陷引起的液相外延HgCdTe薄膜表面缺陷

为了研究液相外延碲镉汞薄膜表面缺陷形成机制,采用光刻工艺结合化学腐蚀方法在碲锌镉衬底表面实现了网格化,研究了碲锌镉近表面富碲沉积相与外延薄膜表面缺陷的关系.结果表明:衬底近表面富碲沉积相会导致碲镉汞薄膜表面孔洞、类针形凹陷坑缺陷以及三角形凹陷坑聚集区;在液相外延过程中,高温碲镉汞熔液与CdZnTe衬底间的回熔作用可以减少与富碲沉积相相关的表面缺陷,薄膜表面缺陷与衬底表面富碲沉积相的匹配度与回熔深度负相关;回熔过程以及富碲沉积相形态、深度影响HgCdTe薄膜表面缺陷形态和分布.

HgCdTe外延用的CdZnTe衬底研制

阐述了 Cd Zn Te衬底在红外焦平面阵列探测器研究中的重要性 ;概括了 Cd Zn Te晶体生长的方法、原理和工艺步骤 ;分析了影响晶体质量 (单晶面积、组分及均匀性、结晶完整性、光电特性 )的因素 ,并提出了与质量相关的控制技术 ;介绍了 Cd Zn Te衬底制备过程中 ,晶片处理的工艺和步骤 (晶锭的定向切割、单晶划片、极性鉴别、磨抛、腐蚀 ) ;报道了目前 Cd Zn Te晶体的性能水平、晶片处理结果和 Cd Zn Te的应用情况。

具有组分梯度的HgCdTe探测器光电特性

PN结分别制备在HgCdTe外延薄膜材料的Cd组分非线性分布区和线性分布区的高组分端,研究了具有组分梯度的HgCdTe探测器的光电特性。计算不同温度下组分梯度产生的内建电场,结果显示Cd组分线性分布产生的内建电场在100~200 V/cm,而Cd组分非线性分布使得样品表面薄层的内建电场高达2 000 V/cm,推测组分梯度产生的内建电场对光生少子运动的影响是引起两个样品光电性能差异的主要原因。通过分析样品响应率随温度的三种不同变化趋势,提出利用温度调控组分梯度产生的内建电场,有利于降低空间电荷效应,为大注入下提高HgCdTe探测器的饱和阈值提供了一种新的设计思路。

CdZnTe衬底的退火改性技术研究

针对高性能碲镉汞红外探测器对碲锌镉(CdZnTe)衬底质量需求的不断提升,采用高温-真空退火方式,对碲锌镉衬底进行退火改性研究。结果发现:碲锌镉衬底的红外透过率得到明显地改善,在红外波段(2.5~25μm)均达到60%以上;晶片中的第二相夹杂得到极大地改善,可实现无大于1μm的第二相夹杂,即可实现红外显微镜下夹杂不可见;Zn组分分布均匀性得到极大地改善,通过退火分压的调节,可实现衬底中Zn组分可调和Zn值的组分均匀分布,其中Zn组分可控制在0.044~0.051范围内,成分标准偏差可控制在0.001以下,衬底的组分可控和均匀分布为大面阵碲镉汞红外探测器的质量提升奠定了坚实的材料基础。

电极对CdZnTe光电探测器性能的影响

CdZnTe材料具有较宽的禁带宽度和化学稳定性,使其成为制备紫外光电探测器的理想材料.电极与CdZnTe材料之间良好的接触特性对制备高灵敏度和高稳定性的紫外探测器具有关键作用.制备了单电极Au/CdZnTe/Au探测器和复合电极Au/GaZnO(GZO)/CdZnTe/GZO/Au探测器,研究了不同电极对CdZnTe紫外光电探测器性能的影响.

双轴应变对单层CdZnTe电子特性和光学性能的影响

研究双轴应变对单层CdZnTe半导体材料电子特性与光学性能的影响,可为制备光学性能优异的CdZnTe器件提供理论支持。本文采用Material Studio软件构建单层CdZnTe模型,并在其(100)和(010)方向上施加应变。基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算了单层双轴应变对单层CdZnTe带隙、载流子有效质量、迁移率和介电常数等性能的影响。结果表明,拉伸和压缩应变均能减小单层CdZnTe的带隙,且双轴应变可有效调控单层CdZnTe的载流子有效质量、迁移率和介电常数。与拉伸应变相比,相同大小的压缩应变对单层CdZnTe性能的调控更加明显。随施加双轴压缩应变的增大,单层CdZnTe的带隙值逐渐减小,CdZnTe半导体吸收光的波长范围得到提高,单层CdZnTe的载流子有效质量、迁移率总体呈下降趋势,介电常数实部逐渐下降,虚部逐渐上升,意味着单层CdZnTe的金属性增强,光学性能提高。

退火工艺对HgCdTe材料位错密度及电学性能影响的研究

实验分别采用高低温退火和循环变温退火方式对液相外延生长的HgCdTe材料进行饱和汞压热处理,研究了两种热处理工艺对碲镉汞材料位错密度及电学性能的影响。结果表明:相较于高低温退火,经循环变温退火后HgCdTe材料的位错密度有了明显的降低,并且材料的迁移率有了显著的提升。研究发现循环变温退火是一种较好提升HgCdTe材料性能的热处理方法。

CdZnTe光电探测器的应用研究

CdZnTe(碲锌镉)是一种性能优异的三元化合物半导体材料,与制备成本高、尺寸受限的CdZnTe体单晶材料相比,CdZnTe薄膜具有生长周期短、工艺简单、可大面积制备的优势。文章开展了电极结构、薄膜厚度及退火处理对CdZnTe光电探测器性能的影响研究。研究表明,相对于采用金(Au)电极的CdZnTe光电探测器,采用镓掺杂氧化锌(GZO)电极的CdZnTe光电探测器的灵敏度更高,响应时间更短;薄膜厚度的增加提高了CdZnTe光电探测器的灵敏度,但响应速度略有降低;退火处理提高了CdZnTe光电探测器的灵敏度,但响应速度降低,其将被广泛应用于太阳能电池、辐射探测器及医疗成像器件等领域,也可以实现光电探测功能的进一步提升。

VB法生长CdZnTe晶体的放肩角度优化

基于有限元法构建了CdZnTe晶体生长模型,分析了不同放肩角度下固液界面的形态演变。模拟结果表明,放肩角度变化导致了放肩区域内温度梯度分布的变化,进而改变了该区段的固液界面形态。在60°/90°/120°/150°四种放肩角度中,120°能在放肩段得到最平坦的固液界面。随着生长进行,不同角度下固液界面的形态差异逐渐减小,在主体生长中所有界面形状趋于一致。根据模型参数进一步实施了CdZnTe晶体的生长实验,结果表明,在90°/120°/150°三种放肩角度中,120°放肩时晶锭头部的单晶率更高。

碲镉汞PIN结构雪崩器件的I区材料晶体质量研究

本文对中波红外PIN结构的碲镉汞(HgCdTe)雪崩器件关键雪崩区域的材料晶体质量进行研究。通过在实验材料上对PIN结构雪崩器件的全过程工艺模拟,采用微分霍尔、微分少子寿命等测试手段进行材料表征,评估获得了关键雪崩区域的真实材料晶体质量。研究发现,现有优化工艺下雪崩区域的晶体质量良好,拟合材料的SRH寿命最好能达到20.7μs,可达到原生材料SRH寿命的相当水平,满足高质量中波碲镉汞雪崩器件的研制要求。同时,我们以获得的雪崩区域SRH寿命为基础,对HgCdTe APD结构器件进行相应2维数值模拟,获得理论最优的暗电流密度8.7×10^(-10) A/cm^(2)。

nBn结构长波红外碲镉汞器件优化设计

分析了Type-I型能带对nBn结构碲镉汞器件性能的影响。通过理论计算获得了势垒层组分、掺杂浓度与能带带阶的关系,确定了nBn结构长波器件吸收层掺杂浓度与暗电流的关系。优化了nBn结构长波红外碲镉汞器件的掺杂浓度、势垒层与吸收层之间的组分过渡,建立了二维器件仿真模型并对nBn结构长波红外碲镉汞器件的能带结构进行了计算,结果表明器件结构参数的优化可以有效降低器件工作所需的开启电压,同时在吸收层内几乎不会形成耗尽区,从而有效抑制SRH产生-复合电流及隧穿电流。计算了器件结构参数优化后的长波红外碲镉汞nBn器件暗电流的变温特性,器件工作温度达到110 K以上。为高性能势垒结构长波红外碲镉汞器件的研制提供了理论依据。