張 舟，陳慧卿，朱西安

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

HgCdTe作為制備紅外焦平面探測(cè)器的首選材料具有禁帶寬度可調(diào)，探測(cè)光譜范圍廣泛，載流子壽命長(zhǎng)，電子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)［1］。由HgCdTe材料制備的紅外探測(cè)器具有超高真空生長(zhǎng)環(huán)境，低溫生長(zhǎng)等特點(diǎn)，在過(guò)去的五十多年中，HgCdTe紅外探測(cè)器在醫(yī)療、生態(tài)、軍事方面等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用［2］。目前已發(fā)展到了第三代紅外焦平面探測(cè)器，器件需要具備更大的焦平面規(guī)模以及紅外多光譜同時(shí)集成的探測(cè)能力［3］，工作重點(diǎn)也從中短波向著長(zhǎng)波轉(zhuǎn)移。長(zhǎng)波紅外探測(cè)器相比中短波傳播距離更長(zhǎng)，探測(cè)范圍更廣［4］，但是長(zhǎng)波探測(cè)器組件相比中短波來(lái)說(shuō)具有較低的動(dòng)態(tài)電阻，較大的暗電流，極大地制約了長(zhǎng)波HgCdTe紅外探測(cè)器的性能。過(guò)去的數(shù)十年中，摻As長(zhǎng)波碲鎘汞材料比同為P型材料的汞空位材料少子壽命更高，暗電流更低而受到廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為制備長(zhǎng)波紅外焦平面器件的一種新的材料制備技術(shù)。

本文采用N型長(zhǎng)波碲鎘汞材料通過(guò)As離子注入摻雜工藝結(jié)合退火工藝，建立退火條件，對(duì)退火后As激活情況進(jìn)行分析研究并取得了預(yù)期的效果。

2 實(shí)驗(yàn)

采用液相外延技術(shù)在碲鋅鎘襯底材料上外延摻In碲鎘汞材料，形成N型層，其中鎘組分x在0.2～0.25之間，截止波長(zhǎng)約為9.4 μm。載流子濃度為5×1014/cm3～1×1015/cm3，遷移率約為1×105cm2/(V·s)。利用離子注入技術(shù)在材料上注入As離子，砷離子注入的能量為360 keV，劑量為2×1014/cm2。圖1是平面形碲鎘汞P-on-N結(jié)的剖面示意圖。

圖1 碲鎘汞P－on－N結(jié)示意圖

離子注入后將摻As碲鎘汞材料送入石英管進(jìn)行汞氣氛下的退火。整個(gè)退火過(guò)程為高溫退火，高溫退火要求溫度高于400℃，完成砷離子的電激活并消除注入引起的晶格損傷。退火在退火爐中進(jìn)行。退火設(shè)備如圖2所示。利用霍爾測(cè)試的方法，測(cè)量經(jīng)過(guò)退火處理后載流子濃度類(lèi)型及其濃度和遷移率，通過(guò)二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)試注入后及退火后As離子在碲鎘汞層的濃度分布，初步分析As離子激活情況。

圖2 退火工藝示意圖

為了進(jìn)一步確認(rèn)As離子是否激活，通過(guò)霍爾測(cè)試的方法，對(duì)比摻As碲鎘汞材料和未摻As碲鎘汞材料在同一高溫退火條件后載流子濃度類(lèi)型及其濃度和遷移率。

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫退火對(duì)As離子分布的影響

首先研究了碲鎘汞材料在離子注入As離子后，As離子在碲鎘汞材料中的分布濃度及注入深度，如圖3所示?？梢钥闯?，As離子的濃度約為1.5×1018/cm3，注入后結(jié)深約為 0.5 μm。

圖3 離子注入后As離子在碲鎘汞材料中的分布

經(jīng)過(guò)高溫退火后，再次研究As離子在碲鎘汞材料中的分布情況，如圖4所示。

圖4 高溫退火As離子在碲鎘汞材料中的分布

測(cè)試結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)高溫退火后As離子結(jié)深約為1 μm。對(duì)比高溫退火前和高溫退火后的兩次SIMS測(cè)試結(jié)果，我們能夠很清楚的發(fā)現(xiàn)，摻As碲鎘汞材料經(jīng)過(guò)高溫退火后，As離子發(fā)生縱向擴(kuò)散，較均勻的分布在表層1 μm范圍內(nèi)。

3.2 確立高溫退火條件，分析As離子激活情況

將高溫退火時(shí)材料處溫度設(shè)定為420℃，改變汞源處溫度及退火時(shí)間，通過(guò)霍爾測(cè)試測(cè)量退火結(jié)果，如表1所示。

表1 不同退火處理?xiàng)l件及測(cè)試結(jié)果

當(dāng)汞源溫度在420℃時(shí)，退火時(shí)間無(wú)論是1 h還是6 h，退火后的材料的類(lèi)型始終維持為N型不變;當(dāng)汞源溫度達(dá)到530℃，退火管內(nèi)汞蒸汽壓增大至10個(gè)大氣壓時(shí)，碲鎘汞薄膜材料退火后由原來(lái)的n型轉(zhuǎn)為P型，說(shuō)明As開(kāi)始激活。重復(fù)片號(hào)EX-C1的高溫退火條件，通過(guò)霍爾測(cè)試退火結(jié)果，如表2所示。

表2 同一退火處理?xiàng)l件測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明不同的摻As碲鎘汞材料在此退火條件下導(dǎo)電類(lèi)型成為P型。從而可以判定在高溫下As激活的目的已經(jīng)初步達(dá)到，確定此條件為高溫退火條件。

為了進(jìn)一步確定退火后的材料P型是由As激活所致，而不是汞空位引起的，對(duì)比摻As碲鎘汞材料和未摻As碲鎘汞材料在同一高溫退火條件后載流子濃度類(lèi)型及其濃度和遷移率。如表3所示。

表3 霍爾測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過(guò)注入As離子的碲鎘汞材料在相同的高溫退火條件后，導(dǎo)電類(lèi)型維持N型無(wú)變化。此實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明As在材料中已經(jīng)被激活，而且高溫退火后的P型測(cè)試結(jié)果并非是汞空位造成的。

3.3 As摻雜的退火激活研究

As是一種兩性摻雜元素，既可以作為淺施主置于Hg位，又可以作為淺受主置于Te位［5］。在離子注入As后，As很難占據(jù)Te位形成受主從而獲得P型碲鎘汞材料。離子注入后的n型碲鎘汞材料能否獲得P型電學(xué)特性很大程度上依賴(lài)于退火方式和退火條件。理論表明，對(duì)于結(jié)構(gòu)相的穩(wěn)定和轉(zhuǎn)變，應(yīng)力或氣壓的控制乃是重要的和較有效的方法［6－7］。

對(duì)于富碲As摻雜的液相外延材料需要400℃左右的富汞高溫?zé)崽幚聿拍軐?shí)現(xiàn)100%的As受主激活［8］。石英管內(nèi)的汞氣壓隨著退火溫度的升高而增大，退火后部分As會(huì)轉(zhuǎn)化成AsHg－VHg或AsTe受主。測(cè)試結(jié)果顯示，在高汞壓下，As原子占據(jù)Te位的數(shù)量大于占據(jù)汞位的數(shù)量，載流子類(lèi)型呈現(xiàn)P型，已經(jīng)被激活。在420℃退火溫度下，由于汞原子易于離開(kāi)汞位而形成汞空位，所以420℃下的汞壓不能抑制汞原子在其格點(diǎn)上，導(dǎo)致部分汞原子逃離其格點(diǎn)，由于Te的能級(jí)要高于Hg的能級(jí)，因此As原子更容易占據(jù)汞位，導(dǎo)致退火后多數(shù)載流子為電子，呈現(xiàn)N型電學(xué)性能。但是當(dāng)汞源溫度為530℃時(shí)，高的汞壓抑制了汞原子的外逃，導(dǎo)致替代Te位的As原子形成的空穴多于替代Hg位形成的電子，使得載流子濃度呈現(xiàn)P型，從而使得As原子激活。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)采用離子注入工藝實(shí)現(xiàn)As摻雜的長(zhǎng)波碲鎘汞材料在汞氣氛中進(jìn)行退火，研究汞壓、溫度及時(shí)間等條件對(duì)碲鎘汞As激活的影響，研究發(fā)現(xiàn)，富汞高溫?zé)崽幚硎菍?shí)現(xiàn)碲鎘汞As激活的關(guān)鍵因素。

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