王 叢,高 達(dá),王經(jīng)緯,強 宇,周立慶

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

HgCdTe材料是性能優(yōu)異的紅外探測器材料,但由于早期CdZnTe襯底成本高、面積較小、與Si電路熱膨脹系數(shù)不匹配等原因,長期以來研究者一直尋找合適的替代襯底。早期人們對InSb、Al2O3(藍(lán)寶石)、GaAs、Ge和Si基等替代襯底進行了大量的研究,但隨著研究的開展,InSb、Al2O3等襯底的各種缺點就顯漏無遺。與其他襯底材料相比,Si襯底具有襯底面積大、材料成本低、Si讀出電路的自動熱應(yīng)力匹配、較高的機械強度和平整度等優(yōu)點,是最合適的替代襯底,是未來實現(xiàn)單片式IRFPA的唯一選擇[1-3]。

Si基襯底最大的問題在于與CdTe晶格失配達(dá)19.3%,導(dǎo)致外延層晶向控制、高密度位錯的抑制等問題變得十分困難。眾所周知,襯底與外延材料的晶格失配將導(dǎo)致大量的位錯增殖,進而嚴(yán)重影響紅外焦平面器件的性能。所以Si基CdTe復(fù)合襯底制備急需解決大失配條件下的外延生長技術(shù)。針對Si基外延的大失配條件解決方案一般有:緩沖層、Si片晶向偏角、退火等[4-7]。

S.Rujirawat等人的研究發(fā)現(xiàn)[7],Si(211)基外延CdTe(211)襯底材料的過程中,大約外延溫度在250 ℃時,出現(xiàn)CdTe(211)和CdTe(133)孿晶,經(jīng)過測試Cd(133)幾乎平行于Si(211),CdTe(211)則同Si(211)存在2～ 3°的傾角。De Lyon T J等[8]研究了CdTe(112)外延層與Si(112)襯底朝[111]方向傾角的關(guān)系,得到經(jīng)驗公式:φCdTe=0.957×φSi-2.02°。國內(nèi)的王元樟等[9]對Si基和GaAs基襯底上材料外延偏轉(zhuǎn)的問題做了研究,發(fā)現(xiàn)對于Si和GaAs襯底,外延層的[211]均繞外延層與襯底的[0-11]復(fù)合軸朝[111]傾斜,其晶向傾角與晶格失配呈線性關(guān)系。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合本課題組的研究現(xiàn)狀選取了三個偏轉(zhuǎn)角度進行研究,在偏轉(zhuǎn)角襯底上的材料外延獲得一定成果。

2 實 驗

本研究使用芬蘭DCA公司的P600 MBE外延系統(tǒng)。使用3 in帶偏轉(zhuǎn)角的(211)Si晶片進行襯底外延,Si片偏轉(zhuǎn)角由(211)晶面向[111]方向偏轉(zhuǎn)2°、3°、4°。Si片經(jīng)過RCA濕化學(xué)處理后,裝入MBE系統(tǒng)[10-11]。

Si片襯底在MBE系統(tǒng)中經(jīng)過預(yù)加熱處理,清除表面水氣和雜質(zhì),進入生長室。Si片表面的氧化層在生長室內(nèi)采用高溫脫氧法進行去除,待Si片冷卻至生長溫度進行外延生長。采用純度為7N的Zn,Te,CdTe,As材料作為外延襯底原料。在Si片冷卻過程中,首先使用As4束流對Si片表面進行鈍化[12],然后使用Te束流鈍化Si片表面,確保材料的B面生長。

使用的標(biāo)準(zhǔn)外延過程是,首先使用MEE方法在Si片表面線外延一層ZnTe緩沖層,溫度330 ℃,然后在Te束流的保護下進行420 ℃退火處理。接著在ZnTe緩沖層上進行CdTe外延,溫度330 ℃,在Te束流和CdTe束流的保護下進行450 ℃退火處理。

通過在線高能電子衍射儀(RHEED)對Si基CdTe復(fù)合襯底的生長進行了在線監(jiān)控。外延后的復(fù)合襯底材料晶體質(zhì)量通過高分辨X光衍射儀進行測試表征,CdTe膜層厚度使用紅外傅里葉儀進行測試計算,表面粗糙度使用光學(xué)輪廓儀進行測試表征,表面形貌通過金相顯微鏡進行觀察。

3 分析與討論

襯底的外延工藝見前文所述。偏轉(zhuǎn)角(211)Si基CdTe復(fù)合襯底外延采用標(biāo)準(zhǔn)的外延工藝方法并對外延參數(shù)進行了實驗。#1437、#1440、#1441、#1464分別采用2°、3°、4°和標(biāo)準(zhǔn)(211)Si片進行標(biāo)準(zhǔn)生長。

針對3°Si片做了優(yōu)化實驗:#1463、#1465、#1467、#1466,工藝調(diào)整實驗條件如表1所示,向下的箭頭表示相較于標(biāo)準(zhǔn)工藝降低參數(shù)值,空白為無改變。

表1 樣品外延條件

3.1 表面形貌

從圖1中可以看出,偏轉(zhuǎn)角(211)Si基CdTe復(fù)合襯底的表面形貌與標(biāo)準(zhǔn)Si基CdTe復(fù)合襯底存在差距。突出表現(xiàn)為,偏轉(zhuǎn)角(211)Si基CdTe復(fù)合襯底表面粗糙,肉眼觀察明顯泛白,表面形貌麻點狀起伏明顯。這是偏轉(zhuǎn)角Si基CdTe復(fù)合襯底外延參數(shù)不優(yōu)化所致,影響形貌的主要參數(shù)為ZnTe緩沖層和CdTe襯底層的外延溫度和退火溫度過高。外延溫度過高易在外延時候形成3維島狀生長,而退火溫度過高造成表面脫附嚴(yán)重,這兩者都可以造成粗糙的表面形貌。

圖1 樣品光學(xué)輪廓儀表面形貌3D模擬圖

針對3°偏轉(zhuǎn)角的(211)Si基CdTe復(fù)合襯底做外延參數(shù)優(yōu)化實驗,并對外延后的復(fù)合襯底粗糙度進行了研究,根據(jù)光學(xué)輪廓儀的測試結(jié)果(見圖2),標(biāo)準(zhǔn)工藝中,2°和3°樣品的粗糙度相當(dāng),4°樣品高于前兩者的粗糙度,表現(xiàn)出明顯的差異,且三者的粗糙度都遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)樣品。工藝調(diào)整的樣品粗糙度依次降低。從工藝參數(shù)方面講,較低的外延和退火溫度有利于降低材料的粗糙度。對比#1463與#1465,外延溫度存在優(yōu)化范圍,過度降低外延溫度并不能有效地降低粗糙度；而在通過對#1465,#1467和#1466三個樣品的參數(shù)對比中發(fā)現(xiàn),通過有效地降低ZnTe和CdTe層的退火溫度可以降低復(fù)合襯底材料的粗糙度。目前的工藝結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的Si基CdTe復(fù)合襯底(#1464)在粗糙度參數(shù)上還有一定差距。

圖2 樣品光學(xué)輪廓儀粗糙度測試結(jié)果

3.2 FWHM

外延的偏轉(zhuǎn)角Si基CdTe復(fù)合襯底FWHM值與標(biāo)準(zhǔn)襯底常規(guī)FWHM值對比見圖3。圖3顯示2°和3°偏轉(zhuǎn)角的Si基CdTe復(fù)合襯底在FWHM值優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)Si基CdTe復(fù)合襯底的結(jié)果,平均降低2～3 arcsec,這表明偏轉(zhuǎn)角(211)Si基CdTe復(fù)合襯底可以良好的降低襯底的FWHM參數(shù),提高襯底材料的晶體質(zhì)量。且3°偏轉(zhuǎn)角的(211)Si基CdTe復(fù)合襯底在6～9 μm厚度范圍內(nèi)與FWHM值有良好的線性關(guān)系,可以通過提高材料的膜厚降低材料的FWHM值,進而達(dá)到提高材料晶體質(zhì)量的目的。而通過多次試驗我們發(fā)現(xiàn)4°的樣品的FWHM值與標(biāo)準(zhǔn)Si基樣品存在較大差距,材料晶體質(zhì)量不高。這與T.J.de Lyon[8]等人的研究結(jié)果相符合。

圖3 樣品FWHM測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果對比

綜合上述測試結(jié)果,4°偏轉(zhuǎn)角的(211)Si基CdTe復(fù)合襯底表面形貌和晶體質(zhì)量不佳,說明在現(xiàn)有的工藝條件下,4°的偏轉(zhuǎn)角度不利于外延質(zhì)量的提高。2°和3°的偏轉(zhuǎn)角Si基CdTe復(fù)合襯底在晶體質(zhì)量方面表現(xiàn)出優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)Si基CdTe復(fù)合襯底的特性,雖然在表面形貌和粗糙度方面與標(biāo)準(zhǔn)襯底還有差距,但是通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)可以得到有效的優(yōu)化,是未來提高Si基CdTe復(fù)合襯底的質(zhì)量的發(fā)展方向。

4 結(jié) 論

通過本文的研究,在偏轉(zhuǎn)角Si基CdTe復(fù)合襯底外延工藝方面發(fā)現(xiàn),4°偏轉(zhuǎn)角Si片角度偏轉(zhuǎn)過大,不利于復(fù)合襯底性能的提高。2°和3°偏轉(zhuǎn)角Si基襯底在晶體質(zhì)量方面優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的Si基CdTe復(fù)合襯底,通過工藝參數(shù)的優(yōu)化在表面形貌和粗糙度方面還可以得到提高,相信是未來提高Si基CdTe復(fù)合襯底質(zhì)量的又一發(fā)展方向。