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.

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。

中国电科11所碲镉汞薄膜材料制备技术进展

碲镉汞材料具有响应速度快、量子效率高、带隙连续可调等优点,广泛应用于红外探测领域,本文报道了近年来中国电科11所在碲镉汞薄膜材料制备方面的技术进展。在碲锌镉衬底材料制备方面,已突破Φ135mm碲锌镉晶体生长技术,碲锌镉衬底平均位错腐蚀坑密度(EPD)<1×10^(4)cm^(-2),具备了80mm×80mm规格碲锌镉衬底的批量生产能力。在液相外延碲镉汞薄膜制备方面,富碲水平液相外延碲镉汞薄膜平均位错腐蚀坑密度EPD<4×10^(4)cm^(-2),具备80mm×80mm规格碲镉汞薄膜的制备能力;富汞垂直液相外延实现高质量双层异质结碲镉汞薄膜材料批量化制备,该种材料的半峰宽(FWHM)控制在(20~40)arcsec范围内,碲镉汞薄膜厚度极差≤±06μm。在分子束外延碲镉汞薄膜方面,实现了6 in硅基碲镉汞材料制备,组分标准偏差≤00015,表面宏观缺陷密度≤100cm^(-2);碲锌镉基碲镉汞材料已具备50mm×50mm制备能力,组分标准偏差为0002,厚度标准偏差为0047μm。从探测器验证结果来看,基于富碲水平液相外延碲镉汞薄膜实现了1 k×1 k、2 k×2 k等规格红外焦平面探测器的工程化制备;采用双层异质结碲镉汞薄膜实现了高温工作、长波及甚长波探测器的制备;使用分子束外延制备的碲镉汞薄膜实现了27 k×27 k、54 k×54 k、8 k×8 k等规格红外焦平面探测器研制,在宇航领域有巨大的应用潜力。

100 mm×100 mm液相外延碲镉汞薄膜技术进展

昆明物理研究所突破了φ150 mm碲锌镉单晶定向生长技术,实现了100 mm×100 mm碲锌镉衬底的小批量制备,位错腐蚀坑密度(EPD)≤4×10^(4) cm^(-2),沉积相尺寸小于5μm、沉积相密度小于5×10^(3) cm^(-2)。突破了大尺寸碲锌镉衬底表面处理以及大面积富碲水平推舟液相外延技术,实现了100 mm×100 mm大尺寸短波、中波碲镉汞薄膜材料的制备,薄膜表面质量优异,厚度极差优于±1.25μm,组分极差优于±0.0031,是目前国际上报道的最大面积碲锌镉衬底基碲镉汞薄膜材料。该材料为10k×10k及以上亿像素规模红外探测器的研制、4k×4k等规模大面阵红外探测器的量产奠定了坚实的基础。

CdZnTe(211)B衬底对MBE外延碲镉汞材料的影响分析

碲锌镉CdZnTe(211)B衬底广泛应用于碲镉汞(HgCdTe)分子束外延生长,其性能参数在很大程度上决定了碲镉汞分子束外延材料的质量。主要讨论了CdZnTe(211)B衬底几个关键性能参数对碲镉汞外延材料的影响,包括Zn组分及均匀性、缺陷(位错、孪晶及晶界和碲沉淀)以及表面状态(粗糙度和化学组成),并且分析了对CdZnTe(211)B衬底进行筛分时各性能参数的评价方法和指标。

HgCdTe/CdTe/Si(211)异质结构的应变和应力分布计算

计算了HgCdTe/CdTe/Si(211)异质结构的应变和应力分布,发现对于生长方向为不具有对称特性的[211]晶向,由于弹性模量的各向异性,平行表面的两个晶向方向[1-1-1]和[01-1]的应变和应力分布存在差异,并且二者的曲率半径也具有相应特性。对于Si衬底厚度为500μm,CdTe缓冲层厚度为10μm,HgCdTe层厚度为10μm的异质结构,液氮温度77 K时衬底与外延层的应变均为负值,外延层和衬底的最大应力值均在界面处,外延层中均为张应力,Si衬底在靠近界面处为压应力,远离界面逐渐过渡为张应力,存在一个应力为零的中性轴位置。

HgCdTe-CdTe异质结构的变频导纳特性

采用宽频带导纳测试系统研究了Ｈｇ０．６６Ｃｄ０．３４Ｔｅ－ＣｄＴｅ异质结构和Ａｌ－半绝缘ＣｄＴｅ－Ｈｇ０．６６Ｃｄ０．３４Ｔｅ结构样品的变频导纳特性，分析了不同结构样品的测试结果，表明：异质结ＨｇＣｄＴｅ表面空穴积累，ＣｄＴｅ表面空穴耗尽，界面处的势垒使载流子局限于ＨｇＣｄＴｅ体内．样品的光伏响应光谱在２９７０ｃｍ－１和３６５０ｃｍ－１处各有一个响应峰，前者对应于界面ＨｇＣｄＴｅ的本征光伏效应，后者对应于ＨｇＣｄＴｅ表面积累层内空穴被激发越过空穴势垒引起的光伏效应，相应于空穴势垒约为０．４１ｅＶ．

HgCdTe液相外延薄膜与衬底之间组分过渡层研究

通过改变薄膜的生长降温速率和生长时间,生长了一系列薄膜,并用SEM-EDS研究了其组分纵向分布。发现生长的HgCdTe液相外延薄膜与CdZnTe衬底之间的组分过渡层一般都在3μm以下与国外HgCdTe薄膜过渡层的水平一致,且组分过渡层厚度随着生长降温速率的增大或生长时间的减少而变薄。

昆明物理研究所大面积水平推舟液相外延碲镉汞薄膜技术进展

报道了近年来昆明物理研究所在富碲水平推舟液相外延碲镉汞外延薄膜制备技术方面的进展。2019年以来,突破了Ф120 mm碲锌镉晶体定向生长技术,使碲锌镉衬底沉积相和夹杂相密度≤5×103 cm^(-2),位错腐蚀坑密度(EPD)≤4.0×10^(4)cm^(-2),Ф120 mm(111)晶圆衬底的Zn组份分布极差≤0.36%。基于碲锌镉衬底技术的进步,液相外延碲镉汞薄膜的最大生长尺寸达到了70 mm×75 mm,薄膜位错腐蚀坑密度均值为5×10^(4)cm^(-2),X射线双晶回摆曲线半峰宽(DCRC-FWHM)≤35 arcsec,部分可控制到25 arcsec以下;50 mm×60 mm尺寸长波碲镉汞薄膜的厚度极差≤±1.25μm,室温截止波长极差≤±0.1μm,中波碲镉汞薄膜相应指标分别为≤±1μm、≤±0.05μm。材料技术的进展促进了制冷型碲镉汞探测器产能提升和成本的降低,也支撑了高性能长波/甚长波探测器、高工作温度(HOT)探测器以及2048×2048、4096×4096等甚高分辨率高性能探测器的研制。

Si基衬底上生长的HgCdTe红外阵列

Santa Barbara研究中心(Goleta,CA)的研究人员已在CdZnTe/GaAs/Si衬底上制作出128×128象元的HgCdTe红外探测阵列(灵敏度在20～60μm)。这一成就被认为是迈向生产低成本大面积可靠焦平面阵列的重要一步。据参加该项研制工作的Scott Johnson说,以前的技术是将探测器生长到大块单晶体CdZnTe衬底上。那些衬底易破碎,尺寸小于30cm^2。而将硅作为基底材料。

美国TJT公司生产的高性能短波红外HgCdTe 320x256/30μm焦平面阵列(上)

Teledyne Judson Technologies(TJT)公司已经成功研制高性能短波红外(Short-wavelength Infrared,SWIR)320x256/30nm的HgCdTe焦平面阵列(Focal Plane Arrays,FPA),目前正在生产这些器件。这些FPA的截止波长一般为2.5μm或2.9pm,可以在很宽的温度范围内工作。探测器主要使用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)HgCdTe材料制造,有时也使用液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)材料,两种材料都生长在CdZnTe衬底上。这些FPA采用ISC 9809 Si读出集成电路(Readout Integrated Circuit,ROIC),可操作性好,暗电流低,量子效率(Quantum Efficiency,QE)高,且均匀性良好,产量高。对FPA从LN_2到室温的性能进行了综合表征,并讨论了测试结果。这些FPA的可操作性一般为99.9%,峰值QE为85%。-70℃时,FPA噪声背景限制在视场(Field-of-View,FOV)100°范围内。当FOV为0°时,实验室相机电子设备受限。像元暗电流在宽温度范围内不高于Rule-07模型的值。在-70℃下噪声等效辖照度(Noise Equivalent Irradiance,NEI)为2～3x10^9W/cm^2,并且FOV更小时可进一步减小。

液相外延碲镉汞贯穿型缺陷研究

液相外延碲镉汞材料的贯穿型缺陷会在后续器件制备中导致多个盲元的形成。采用共聚焦显微镜对该类缺陷的深度进行了表征,并对缺陷底部的成分进行了测试。使用聚焦离子束(Focused Ion Beam,FIB)将缺陷挖开后对其进行观察。对于贯穿型缺陷较多的碲锌镉衬底外延生长碲镉汞薄膜,统计后发现碲镉汞表面的贯穿型缺陷与衬底缺陷存在一定的对应关系,因此推测液相外延贯穿型缺陷起源于碲锌镉衬底缺陷。

碲锌镉衬底缺陷对液相外延碲镉汞薄膜结构的影响

采用红外显微镜、X射线双晶回摆衍射法、X射线貌相术对CdZnTe衬底中的沉淀相、亚结构、组分偏析等缺陷进行了研究,并对用此衬底液相外延的HgCdTe薄膜作了测试。结果显示:CdZnTe衬底中亚晶界处聚集的位错在外延生长中呈发散状向薄膜中延伸,造成了薄膜形成亚晶界和更大面积的由位错引起的晶格畸变应力区域,影响了薄膜结构的完整性。

碲镉汞液相外延薄膜典型缺陷及其起源分析

通过碲镉汞液相外延薄膜的典型缺陷的研究,结合国内外的研究现状,综述了各种缺陷的特征、起因、消除方法等。通过对HgCdTe液相外延层中常见的缺陷进行归纳和总结,探讨各种缺陷的可能起因,以达到提高液相外延工艺水平的目的。

昆明物理研究所分子束外延碲镉汞薄膜技术进展

碲镉汞(MCT)自从问世以来一直是高端红外(IR)探测器领域的首选材料,分子束外延碲镉汞技术具有低成本异质外延、材料能带精准调控、原位成结等优势,是第三代红外焦平面陈列(FPA)器件研制的重要手段。本文报道了昆明物理研究所分子束外延(MBE)MCT薄膜技术进展,包括材料结构、晶体质量、表面缺陷、材料均匀性、掺杂浓度等参数优化控制的研究结果。异质衬底、碲锌镉衬底上MCT薄膜尺寸分别为4英寸(10.16 cm)及2.5 cm×2.5 cm,材料EPD值分别在1×106 cm^-2附近及(3~30)×104 cm^-2范围,表面宏观缺陷密度分别在30 cm^-2附近及100~300 cm^-2范围,薄膜质量与国内外先进水平相当。采用分子束外延MCT薄膜实现了2048×2048中波红外(MWIR)、2048×2048短波甚高分辨率红外(SWIR)焦平面、640×512中短双色红外(S-MWIR)、320×256中中双色红外(M-MWIR)FPA探测器的研制和验证。

碲镉汞的液相外延生长

设计了一种使用良好的石墨舟 ,建立了一套能进行开管液相外延的系统 ,并利用此系统在 Cd Zn Te衬底上和在富 Te的生长条件下生长了不同 x值的 Hg Cd Te外延薄膜 .通过对外延生长工艺的控制 ,外延薄膜的表面形貌有很大的改善 ,残留母液大为减少 ,外延薄膜的组分比较均匀 ,其电学性能得到较大改善 ,Hg Cd Te外延薄膜与Cd Zn Te衬底之间的互扩散非常少 ,外延膜的晶体结构也较完整 .

分子束外延用碲锌镉(211)B衬底湿化学预处理技术研究

主要分析了不同溴甲醇溶液腐蚀方法对分子束外延用碲锌镉(211)B衬底表面粗糙度及反射式高能电子衍射(RHEED)图样的影响。实验发现化学抛光后未使用溴甲醇腐蚀的CZT(211)B衬底虽然表面粗糙度较小(小于1.0 nm),但表面RHEED衍射图样无任何衍射点或者条纹;采用0.05%溴体积比的溴甲醇溶液腐蚀CZT(211)B衬底时,即使腐蚀极短的时间,衬底表面粗糙度也达到2.0 nm以上,且表面存在高密度的柱状物,衬底表面RHEED图样呈圆点状或条纹较粗且存在亮点;采用0.01%溴体积比的溴甲醇溶液腐蚀CZT(211)B衬底,表面粗糙度可控制在1.0 nm左右,同时RHEED图样为特征的CZT(211)B晶面短条纹衍射图样,条纹清晰,同时多片衬底重复实验结果一致。同时在其上分子束外延的未优化的中波碲镉汞材料半峰宽为(49.1±5.9)arcsec,组分为0.3083±0.0003,厚度为6.54±0.019μm。

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。

采用(211)碲锌镉衬底制备碲镉汞液相外延薄膜

文中对(211)晶向的CdZnTe衬底进行液相外延生长HgCdTe.获得的碲镉汞液相外延材料的组分为0.30～0.33,薄膜厚度为10～15μm,表面缺陷密度为500cm-2,材料的FWHM达到24弧秒,位错腐蚀坑密度约为2×105cm-2,该材料的表面形貌与采用(111)晶向衬底的HgCdTe外延材料有较大区别.