范葉霞,周振奇,劉江高,李振興,侯曉敏,折偉林,王 叢

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著三代碲鎘汞探測(cè)器的技術(shù)水平不斷發(fā)展,雙多色、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波、大面陣、高性能組件對(duì)碲鋅鎘襯底的質(zhì)量要求也越來(lái)越高[1-3]。碲鋅鎘作為理想的碲鎘汞外延薄膜襯底材料,對(duì)其質(zhì)量均勻性尤其是夾雜有很高的要求,夾雜作為降低組件性能的主要缺陷之一,其尺寸減小以及消除研究對(duì)組件性能提高具有重要意義。進(jìn)行外延時(shí),作為襯底材料,其第二相夾雜作為體缺陷會(huì)延伸到碲鎘汞外延層中,形成相應(yīng)的外延缺陷,進(jìn)而嚴(yán)重影響到外延膜的質(zhì)量；其次,第二相夾雜缺陷能夠阻擋碲鎘汞探測(cè)器組件的紅外光吸收,從而降低光敏單元對(duì)信號(hào)的探測(cè)效率,進(jìn)而降低器件的能量分辨率和探測(cè)效率。因此,去除掉碲鋅鎘襯底中的第二相夾雜,獲得高質(zhì)量的碲鋅鎘襯底材料對(duì)于提升碲鎘汞紅外探測(cè)器的性能具有十分重要的意義。

退火技術(shù)是改善碲鋅鎘襯底質(zhì)量的有效方法之一,國(guó)內(nèi)外對(duì)碲鋅鎘晶體退火進(jìn)行了詳細(xì)的研究,西北工業(yè)大學(xué)、上海技物所、四川大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)[4-6]對(duì)碲鋅鎘晶體的退火研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)對(duì)退火參數(shù)如退火溫場(chǎng)、退火源等參數(shù)的改進(jìn),能夠改善碲鋅鎘襯底的夾雜、紅外透過(guò)率、電阻率等,而日本的A.Koyama等人[7]通過(guò)改進(jìn)退火技術(shù),可以獲得襯底中無(wú)夾雜的退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了進(jìn)一步地提升碲鋅鎘襯底的質(zhì)量,改善襯底特別是大尺寸襯底中的第二相夾雜和組分分布,需要開(kāi)展碲鋅鎘襯底退火技術(shù)研究。

2 實(shí)驗(yàn)方案

采用改進(jìn)垂直布里奇曼法生長(zhǎng)碲鋅鎘晶體,經(jīng)切割、研磨和拋光制成碲鋅鎘晶片,將干凈的碲鋅鎘晶片放入自制石英退火安瓿中,真空高溫封接,采用自制的三溫區(qū)碲鋅鎘退火爐進(jìn)行退火,退火源為單質(zhì)Cd和單質(zhì)Zn,退火時(shí)長(zhǎng)為72～144 h不等。退火后,對(duì)晶片表面進(jìn)行拋光,獲得納米級(jí)拋光表面。采用傅立葉紅外光譜儀測(cè)試晶片的紅外透過(guò)率,測(cè)試波長(zhǎng)范圍為2.5～25μm(波數(shù)400cm-1～4000cm-1),采用紅外顯微鏡測(cè)量晶片中的第二相夾雜,采用能譜和PL譜測(cè)量晶片全片中的Zn組分及組分分布[8]。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 紅外透過(guò)率

退火前后測(cè)量的晶體紅外透過(guò)光譜如圖1所示。圖1中退火前晶體中的波數(shù)較小(波長(zhǎng)較長(zhǎng))部分的紅外透過(guò)率較低,隨著波數(shù)增加(波長(zhǎng)變短),紅外透過(guò)率逐漸上升到60 %及以上,低的紅外透過(guò)率不能滿(mǎn)足高質(zhì)量碲鎘汞探測(cè)器對(duì)襯底的高紅外透過(guò)需求。

經(jīng)過(guò)退火處理后在波長(zhǎng)2.5～25 μm(波數(shù)400 cm-1～4000 cm-1)段,晶體的紅外透過(guò)率IR≥60 %,如圖1所示,滿(mǎn)足作為碲鎘汞紅外探測(cè)器理想襯底的需求。紅外透過(guò)率得到改善,這可能是由于退火改善或改變了晶體中的缺陷,導(dǎo)致晶體中特別是長(zhǎng)波波段紅光吸收較強(qiáng)的缺陷密度明顯減少,紅外透過(guò)率增加。

圖1 退火前后晶片紅外透過(guò)率的比較

3.2 第二相夾雜

碲鋅鎘晶體中的第二相夾雜一般指≥1 μm的缺陷,在紅外顯微鏡下可觀察到,典型的夾雜形狀呈六角星形、三角形,及條帶狀等。碲鋅鎘晶體中的第二相夾雜產(chǎn)生,可能由于原料配比失衡、生長(zhǎng)溫場(chǎng)不穩(wěn)定、生長(zhǎng)參數(shù)不準(zhǔn)確所導(dǎo)致。

退火前,采用紅外顯微鏡,200倍下對(duì)碲鋅鎘晶片進(jìn)行全片夾雜觀察,并拍照記錄,常規(guī)生長(zhǎng)碲鋅鎘晶片中的典型第二相夾雜形貌如圖2所示。

圖2 退火前后第二相夾雜對(duì)比

晶片經(jīng)退火工藝后,采用紅外顯微鏡進(jìn)行全片觀察及拍照記錄,發(fā)現(xiàn)整片晶片中沒(méi)有第二相夾雜,第二相夾雜得到完全去除,如圖2所示。第二相去除的機(jī)理,可能是由于退火條件下,退火溫場(chǎng)穩(wěn)定、均勻,碲鋅鎘晶片中的夾雜缺陷一般為單質(zhì),熔沸點(diǎn)較低,在穩(wěn)定溫場(chǎng)下逐漸分解,以熱擴(kuò)散形式逐漸散布在周?chē)Ц裰?或形成雜質(zhì)濃度梯度,最終逐步擴(kuò)散到晶片表面,實(shí)現(xiàn)了晶片中無(wú)第二相夾雜。

由圖2可見(jiàn),退火技術(shù)可實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘襯底中紅外顯微鏡下無(wú)大于1 μm的第二相夾雜,夾雜缺陷得到極大地改善,襯底性能獲得大幅提升。需要指出的是,如果襯底中存在尺寸過(guò)大(>50 μm)且形狀規(guī)則的第二相夾雜,退火技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)去除第二相夾雜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,但晶片中會(huì)存在紅外顯微鏡下不可見(jiàn)的退火痕跡,當(dāng)進(jìn)行化學(xué)腐蝕或化學(xué)拋光時(shí),退火痕跡以缺陷的形式重新出現(xiàn)在襯底表面,降低襯底表面質(zhì)量。這可能是由于第二相夾雜尺寸過(guò)大,破壞了周?chē)Ц竦慕Y(jié)構(gòu),造成晶格損傷,類(lèi)似于晶格中的小角晶界,然而退火技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)晶格的修復(fù),當(dāng)進(jìn)行化學(xué)腐蝕或化學(xué)拋光時(shí),晶格損傷以缺陷形式顯現(xiàn)。所以,退火技術(shù)可實(shí)現(xiàn)<50 μm的第二相夾雜去除,但較大尺寸的第二相夾雜仍需以晶體生長(zhǎng)技術(shù)的配料、溫場(chǎng)和生產(chǎn)參數(shù)控制為主。

3.3 組 分

3.3.1 能譜組分分析

高溫退火后,晶片表面微觀形貌多樣,為了更好地分析退火對(duì)表面的影響,采用掃描電鏡觀察退火后表面形貌,并利用EDAX能譜對(duì)相應(yīng)的成分進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如表1所示。

表1 碲鋅鎘襯底表面能譜測(cè)試結(jié)果

由以上結(jié)果可見(jiàn),晶片表面的Zn組分值很高,原子比均大于10 at %,遠(yuǎn)大于常規(guī)工藝中碲鋅鎘襯底的Zn組分值(≈4 at %),這可能是由于在高溫下,退火氣氛中Zn飽和蒸汽壓較大,Zn原子向晶片表面和內(nèi)部進(jìn)行劇烈熱擴(kuò)散,從而導(dǎo)致晶片表面的Zn組分值偏高。

3.3.2 PL譜Zn組分分析

為了驗(yàn)證能譜測(cè)試的結(jié)果,采用PL譜進(jìn)行拋光后1#晶片的全片測(cè)試,并計(jì)算了Zn組分值及標(biāo)準(zhǔn)偏差,如圖3所示。

(a)退火前

由圖3可見(jiàn),相對(duì)于退火前,晶片中的Zn組分平均值由0.05099升高至0.08502,標(biāo)準(zhǔn)偏差由0.00394降至0.00098,減小為原值的1/4,Zn組分分布非常均勻,但晶片中的Zn組分值偏大,不滿(mǎn)足碲鎘汞外延的需求,分析是由于退火后晶片中的Zn蒸汽壓偏高導(dǎo)致的,因此采取改變退火氣氛中Zn分壓的方法,進(jìn)行退火實(shí)驗(yàn),并進(jìn)行PL譜測(cè)試,如圖4(a)所示,同時(shí)進(jìn)行了逐層減薄拋光Zn組分測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示。

圖4 Zn分壓和襯底減薄厚度對(duì)碲鋅鎘襯底中Zn組分的影響

由測(cè)試結(jié)果可見(jiàn),通過(guò)改變不同的分壓,Zn組分可控制在0.044～0.051范圍內(nèi),同時(shí)Zn組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.001,如圖5所示,即襯底中的組分均勻性沒(méi)有發(fā)生改變,仍呈組分高度均勻分布,與未退火晶片的Zn組分標(biāo)準(zhǔn)偏差比較,性能改善非常明顯。通過(guò)以上的結(jié)果可見(jiàn),通過(guò)退火技術(shù),可實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘襯底材料的組分可設(shè)計(jì)性,滿(mǎn)足了碲鎘汞外延膜對(duì)碲鋅鎘襯底組分的理想需求。

圖5 退火后晶片與傳統(tǒng)片的Zn組分標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比圖

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)對(duì)碲鋅鎘襯底退火技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn),退火技術(shù)可實(shí)現(xiàn)碲鋅鎘襯底中無(wú)第二相夾雜,同時(shí)晶片的紅外透過(guò)率明顯得到改善,達(dá)到60 %以上；退火技術(shù)還可調(diào)節(jié)晶片中Zn組分,且同時(shí)獲得高一致性的組分均勻分布,通過(guò)退火技術(shù),碲鋅鎘襯底的性能獲得極大地提升,襯底質(zhì)量明顯改善,對(duì)大面陣碲鎘汞紅外探測(cè)器的性能研究具有十分重要的意義。