李燕蘭,高 達,李 震,王 丹,王 叢,譚 振,孫 浩

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

隨著紅外探測器進入了第三代紅外探測器技術(shù)時期,大規(guī)模、高分辨率、多波段、高集成、輕型化和低成本成為紅外技術(shù)最關(guān)注的問題。大規(guī)模紅外探測器具備更高空間分辨率,能夠擴大目標的探測和識別范圍,已經(jīng)成為紅外探測器發(fā)展的必然趨勢。探測器規(guī)模的增大導致了探測器材料尺寸增大,以至于如何制造高性能、高均勻性的大尺寸紅外探測器材料成為制約紅外探測器規(guī)模增大的最主要因素之一。

2 大尺寸碲鎘汞材料研究現(xiàn)狀

碲鎘汞材料作為迄今為止最成熟的紅外探測器材料,有著帶隙連續(xù)可調(diào)、量子效率高等優(yōu)點,是大尺寸紅外探測器的首選材料。下面介紹Sofradir公司、Teledyne公司、Raytheon公司、AIM公司在大尺寸碲鎘汞材料方向研究的現(xiàn)狀。

2.1 Sofradir 公司

Sofradir 是一家主要從事空間應用紅外探測器開發(fā)和制造的公司,該公司在可見光到甚長波光譜范圍內(nèi)開發(fā)了多款紅外探測器用于空間研究項目,例如:MTG項目、哥白尼哨兵探測器系列、Metop-SG系統(tǒng)、火星探測項目、月球探測項目[1]。

在設計和制造紅外探測器的同時,Sofradir自2017年起參與了為期三年的“Asteroid”項目,已實現(xiàn)大面陣短波紅外探測器的工業(yè)化。“Asteriod”的第一個目標是開發(fā)大尺寸的碲鋅鎘襯底,襯底尺寸達到4 in,可容納4個2 k×2 k探測器的水平。在Sofradir,碲鎘汞外延層的生長技術(shù)通常采用的是液相外延(LPE),圖2為Sofradir公司碲鋅鎘襯底,圖3為7 cm×7 cm規(guī)格碲鎘汞外延材料[2]。

圖1 Sofradir公司“Asteroid”項目技術(shù)路線[2]

圖3 Sofradir公司72×73mm2碲鋅鎘基短波碲鎘汞材料[2]

液相外延大尺寸碲鎘汞材料技術(shù)路線存在一些問題,比如大尺寸襯底的化學機械雙面拋光需要進一步的優(yōu)化,從而獲得更為平整的外延表面。

7 cm×7 cm規(guī)格碲鎘汞外延材料的雙晶衍射半峰寬能夠達到50 arcsec,表面形貌由圖4可以看出,仍存在少量的表面缺陷和其他缺陷。因此需要更深入的推進襯底處理工藝,從而建立一個成熟的以4英寸碲鋅鎘為基礎(chǔ)的2 k×2 k碲鎘汞探測器生產(chǎn)線[2]。

Sofradir認為,制備大面陣紅外探測器存在四個關(guān)鍵要素:超大尺寸讀出電路、大尺寸碲鋅鎘襯底制備、高質(zhì)量碲鎘汞外延能力、同大尺寸碲鎘汞相配套的器件生產(chǎn)線。因此Sofradir為大尺寸碲鎘汞材料制定的技術(shù)路線為:在4 in碲鋅鎘襯底上使用液相外延的生長方式,采用p-on-n的技術(shù)路線外延4 in碲鎘汞材料,如圖1所示。

圖4 72×73mm2碲鋅鎘基短波碲鎘汞材料顯微鏡拼接圖[2]

2.2 Teledyne公司

自從20世紀80年代以來,Teledyne一直在開發(fā)用于紅外探測器的碲鎘汞材料,早期研究集中于液相外延技術(shù)上,相比分子束外延技術(shù),液相外延技術(shù)只能生長單一組分的碲鎘汞層,限制了碲鎘汞材料結(jié)構(gòu)設計的多種可能。因此,后續(xù)的研究集中于通過分子束外延技術(shù)在碲鋅鎘、砷化鎵和硅襯底上外延碲鎘汞材料。由于砷化鎵襯底、硅襯底與碲鎘汞晶格失配大,導致外延層位錯密度高,從而導致器件暗電流大。因此,Teledyne公司認為雖然碲鋅鎘襯底尺寸相對較小、成本高,但仍然是外延碲鎘汞材料最重要的襯底之一[3]。

Teledyne公司在Riber412分子束外延系統(tǒng)中采用7 cm×7 cm碲鋅鎘襯底生長高質(zhì)量碲鎘汞材料(最大能做到8 cm×8 cm),并應用于制造宇航用大面陣紅外探測器。分子束外延工藝中通過增加束流源與外延表面的距離、增加束流源尺寸,提高碲鎘汞材料參數(shù)的均勻性；尋找合適的碲鎘汞生長溫度窗口,既滿足足夠的汞黏附系數(shù)又保證吸附原子在外延表面具有足夠的遷移率,從而獲得高質(zhì)量的碲鎘汞外延材料[3]。在生長碲鎘汞材料之前,碲鋅鎘襯底首先經(jīng)過排氣處理,然后轉(zhuǎn)入生長腔室進行碲鎘汞生長。采用的束流源為Te源、CdTe源、Hg源、In源,其中In源為摻雜源。生長之前使用反射式高能電子衍射儀檢查襯底質(zhì)量,生長過程中采用Woollam M-2000型號橢偏儀表征碲鎘汞組分,通過這種方法在碲鎘汞生長過程中控制碲鎘汞組分。生長完成后,碲鎘汞在汞保護的情況先降溫至室溫,然后轉(zhuǎn)移出生長腔室。使用傅里葉紅外光譜儀表征碲鎘汞材料組分與厚度。如圖5所示,現(xiàn)階段Teledyne已經(jīng)能夠外延獲得最大8 cm×8 cm規(guī)格的碲鋅鎘基碲鎘汞材料。7 cm×7 cm規(guī)格的碲鋅鎘基碲鎘汞材料的組分及厚度不均勻性如圖6、圖7所示,均能控制在1 %以內(nèi)[3]。

圖5 Teledyne分子束外延8cm×8cm CdZnTe基HgCdTe材料[4]

圖6 組分均值0.2072,標準偏差0.0004[3]

圖7 厚度均值13.26 μm,標準偏差0.06 μm[3]

原位In摻雜濃度通?？刂圃?×1014cm-3～1×1016cm-3?？刂艻n源溫度,獲得目標的In摻雜濃度,使用77 K下的霍爾測試結(jié)果表征摻雜濃度,并使用二次離子質(zhì)譜儀進行驗證。圖8顯示了Teledyne在不同分子束外延腔室生長的碲鎘汞材料,77 K下霍爾測試載流子遷移率結(jié)果。大尺寸的碲鎘汞材料載流子遷移率與小尺寸碲鎘汞材料相似,表明大尺寸碲鎘汞材料達到了與較小尺寸碲鎘汞材料質(zhì)量相仿的水平。

圖8 不同設備生長碲鎘汞材料遷移率對比[3]

Teledyne采用碲鎘汞材料中出現(xiàn)缺陷類型和密度對碲鎘汞材料質(zhì)量進行評估。在碲鋅鎘襯底上生長的碲鎘汞材料主要缺陷類型為Microdefects、Voids,表1列出了缺陷種類及相應的尺寸范圍和現(xiàn)階段水平。Teledyne認為,Microdefects的起源一般為高的Hg/Te比或低的生長溫度,Voids的起源一般為低的Hg/Te比或高的生長溫度。通常情況下Voids由于尺寸較大,對像元性能有著致命性的影響,因此需要極力避免,而Microdefects只會降低像元性能。

表1 Teledyne碲鋅鎘基碲鎘汞材料缺陷統(tǒng)計[3]

分子束外延生長的碲鎘汞位錯密度通常與碲鋅鎘襯底上的位錯相當,但當碲鋅鎘襯底晶格常數(shù)與生長的碲鎘汞材料晶格常數(shù)不匹配時,位錯密度可能增加兩個量級。圖9顯示了大尺寸碲鎘汞材料測得的典型位錯密度值。一般情況下位錯密度均能達到5×105cm-2以內(nèi)。

圖9 碲鎘汞位錯密度統(tǒng)計[3]

2.3 Raytheon公司

Raytheon公司在宇航用碲鎘汞探測器研制方面有著悠久的歷史,特別是大面陣的可見光到短波紅外波段碲鎘汞探測器。Raytheon外延碲鎘汞材料的方式有兩種,液相外延和分子束外延,選用的襯底有兩種,碲鋅鎘和硅,圖10圖11展示了現(xiàn)階段Raytheon公司碲鎘汞材料外延能力[5]。

圖10 Raytheon公司液相外延碲鎘汞材料[5]

圖11 Raytheon公司分子束外延碲鎘汞材料[5]

液相外延是Raytheon公司最初外延高質(zhì)量碲鎘汞材料的生長方式,例如宇航用VIRGO探測器系列,現(xiàn)有的最大尺寸規(guī)格為:4.5 cm×6.7 cm,液相外延碲鎘汞材料能夠應用的規(guī)格最大為2 k×2 k 20 μm(VIRGO系列探測器)、4 k×4 k 10 μm(SCA系列探測器)。

分子束外延可以制備具有復雜器件結(jié)構(gòu)的碲鎘汞材料,例如高質(zhì)量單色材料、雙多色材料、雪崩光電探測器材料。Raytheon 公司的長期目標是采用分子束外延的方式在大尺寸硅晶圓(8～12 in)上外延碲鎘汞材料(如圖12所示),最終能夠生產(chǎn)出 15 μm 像元的 8 k×8 k 或14 k×14 k紅外陣列。此類大面陣碲鎘汞探測器已經(jīng)被美國宇航局宇宙物理計劃辦公室確定為優(yōu)先技術(shù)需求,而硅基碲鎘汞探測器非常適合滿足未來任務的大面陣紅外陣列的需求,如圖12所示。

圖12 8 in硅基碲鎘汞材料[6]

Raytheon公司采用VG Semico V-100分子束外延生長碲鎘汞材料,該系統(tǒng)最大能夠外延10 in晶片。在生長碲鎘汞材料之前,硅襯底上首先生長一層薄的ZnTe緩沖層和一層厚的CdTe緩沖層。使用傅里葉紅外光譜儀表征碲鎘汞材料組分與厚度,使用Rudolph Technologies NSX 300B系統(tǒng)統(tǒng)計碲鎘汞材料缺陷,使用二次離子質(zhì)譜儀統(tǒng)計摻雜濃度變化。

圖13為78 K下8 in碲鎘汞材料組分、截止波長分布圖,可以得出組分均值為0.2903,不均勻性控制在2.2 %以內(nèi)。

圖13 8 in碲鎘汞材料組分分布[6]

圖14顯示了8 in碲鎘汞材料表面缺陷分布,缺陷根據(jù)大小進行分類,并分為四個級別:I級(0～10 μm)、II級(10～30 μm)、III級(30～40 μm)、IV級(>50 μm)。所有級別的缺陷密度都較小,總的缺陷密度約為22 cm-2。

圖14 8 in碲鎘汞材料缺陷分布[6]

圖15記錄了8 in碲鎘汞材料不同區(qū)域As摻雜濃度測量結(jié)果,這些結(jié)果良好的重合在一起,說明整個8 in晶片上的As摻雜濃度差異較小,As摻雜濃度均勻性達到較好的水平。由于As摻雜濃度對生長溫度尤其敏感,As摻雜濃度均勻性的良好從側(cè)面反映出碲鎘汞生長溫度均勻性良好,中心到邊緣處的溫差能夠控制在1 ℃以內(nèi)。

圖15 不同區(qū)域As摻雜濃度測量結(jié)果[6]

2.4 AIM公司

德國AIM也在大力發(fā)展大規(guī)模凝視型碲鎘汞紅外探測器,但探測器規(guī)模相對較小。表2、表3及圖16、17列舉AIM公司的兩款大面陣碲鎘汞探測器及性能參數(shù)。

圖16 AIM HiPIR-1280M-MCT 中波探測器

表2 AIM HiPIR-1280M-MCT中波探測器主要參數(shù)

圖17 AIM HiPIR-1280L-MCT 長波探測器

表3 AIM HiPIR-1280M-MCT主要長波探測器參數(shù)

AIM在大尺寸碲鎘汞材料技術(shù)路線上采用的是在4英寸砷化鎵襯底上使用Vecco Gen20A分子束外延系統(tǒng)外延碲鎘汞材料。AIM認為,砷化鎵襯底氧化層可以很容易的去除,不需要對襯底進行過多的預處理,另外砷化鎵襯底上可直接外延CdTe緩沖層,而不必像硅、鍺襯底一樣需要生長ZnTe/CdTe緩沖層。因此AIM選用砷化鎵襯底作為大尺寸碲鎘汞材料的襯底。

AIM直接將砷化鎵襯底轉(zhuǎn)移進分子束外延系統(tǒng)中,在As束流保護下進行810 ℃退火去除襯底表面氧化層,隨后在315 ℃下生長1 μm CdTe緩沖層,生長速率1 μm/h,然后降溫至180 ℃生長5 μm HgCdTe吸收層,再生長1 μm CdTe原位鈍化層。

在目前的發(fā)展階段,AIM獲得的4英寸砷化鎵基HgCdTe材料直徑4～10 μm缺陷的密度達到50 cm-2水平,直徑大于10 μm缺陷的密度達到4 cm-2水平,雙晶衍射半峰寬約為60arcsec,碲鎘汞外延中心區(qū)域組分不均勻性小于0.66 %,已經(jīng)實現(xiàn)了較好的材料質(zhì)量和良好的均勻性[7],如圖18、19所示。

圖18 AIM 4 in砷化鎵基碲鎘汞材料[7]

圖19 AIM 4 in碲鎘汞材料截止波長峰峰值0.11 μm[7]

2.5 國內(nèi)大尺寸碲鎘汞研究現(xiàn)狀

國內(nèi)大尺寸碲鎘汞材料研究方面,昆明物理研究所目前具備異質(zhì)襯底上分子束外延大尺寸碲鎘汞材料技術(shù)能力。異質(zhì)襯底上碲鎘汞材料最大尺寸為4 in。受制于碲鋅鎘襯底技術(shù)的發(fā)展水平,目前昆明物理研究正在開展5 cm×5 cm尺寸碲鋅鎘襯底技術(shù)和分子束外延技術(shù)開發(fā)[8]。電科十一所目前具備在硅襯底上和碲鋅鎘襯底上分子束外延碲鎘汞薄膜的能力,硅基碲鎘汞材料最大尺寸為4 in、碲鋅鎘基碲鎘汞最大尺寸為5 cm×5 cm[9]。

3 大尺寸碲鎘汞材料研究發(fā)展趨勢

國內(nèi)外紅外探測器研究機構(gòu)為了獲得更大面陣碲鎘汞探測器滿足航天領(lǐng)域的應用,已經(jīng)將碲鎘汞材料尺寸提升至8英寸(硅基碲鎘汞)、8 cm×8 cm(碲鋅鎘基碲鎘汞)、4 in(砷化鎵基碲鎘汞)水平。并且可以看到的是,碲鎘汞材料尺寸仍然有繼續(xù)提升的需求,未來不排除能夠達到12 in碲鎘汞材料的水平。下面將從襯底選擇、生長方式、關(guān)鍵參數(shù)三個方面對當前大尺寸碲鎘汞材料研究發(fā)展趨勢進行梳理。

3.1 襯底選擇

在外延碲鎘汞材料工藝中選用襯底材料時秉持的原則主要有以下幾點:襯底處理難度、晶格匹配度、成核工藝難易度、熱膨脹系數(shù)與硅讀出電路匹配度、襯底成本、紅外光透過性、襯底引入的雜質(zhì)污染情況。在現(xiàn)階段的大尺寸碲鎘汞材料工藝中,襯底材料的選擇主要有:與碲鎘汞材料晶格完全匹配的碲鋅鎘材料,和以硅、鍺、砷化鎵為代表的異質(zhì)襯底。

碲鋅鎘材料作為最為經(jīng)典的襯底材料,在晶格匹配度、紅外光透過性等方面性能突出,至今仍然是制備高質(zhì)量碲鎘汞材料的首選襯底材料。但由于大尺寸碲鋅鎘單晶生長困難,碲鋅鎘襯底外延大尺寸碲鎘汞材料面臨著尺寸受限于碲鋅鎘襯底尺寸的問題。

硅、鍺、砷化鎵是目前外延碲鎘汞材料最主要的異質(zhì)襯底材料,均能滿足碲鎘汞材料外延的對于大尺寸、低成本方面的需求。但三種異質(zhì)襯底材料均面臨著與碲鎘汞材料晶格匹配度的問題,通過外延碲化鋅、碲化鎘緩沖層,能夠在一定程度上解決此問題,并通過退火提高碲鎘汞材料質(zhì)量。相比另外兩種異質(zhì)襯底材料,硅襯底在熱膨脹系數(shù)與硅讀出電路匹配度方面有著絕對的優(yōu)勢,具有更好的熱循環(huán)穩(wěn)定性。因此,硅襯底在外延大尺寸碲鎘汞材料方面更具優(yōu)勢。

3.2 生長方式選擇

現(xiàn)階段外延碲鎘汞材料的方式主要有液相外延、分子束外延、金屬有機物化學氣相沉積,其中又以液相外延和分子束外延為主。

液相外延是技術(shù)上最為成熟的碲鎘汞材料生長方法,至今仍是最主要的制備高性能碲鎘汞材料的生長方式。在大尺寸碲鎘汞材料方面,雖然液相外延技術(shù)受限于碲鋅鎘襯底尺寸和無法外延復雜材料結(jié)構(gòu),但由于液相外延在設備成本、材料質(zhì)量方面的優(yōu)勢,國際主流的碲鎘汞材料研究機構(gòu)仍然沒有放棄使用液相外延的生長方式外延大尺寸碲鎘汞材料。

隨著第三代紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展,能夠更容易生長先進碲鎘汞結(jié)構(gòu)和在大尺寸異質(zhì)外延襯底上外延的分子束外延技術(shù)在碲鎘汞材料外延領(lǐng)域占據(jù)了越來越重要的地位。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)選擇

材料尺寸的提高為外延碲鎘汞材料工藝帶來了更大的挑戰(zhàn),除了需要開發(fā)更大的外延設備、襯底預處理設備、碲鎘汞材料表征設備之外,還需提高碲鎘汞材料質(zhì)量和均勻性。這里提到的碲鎘汞材料的均勻性包括碲鎘汞組分、厚度、材料質(zhì)量、摻雜濃度。筆者認為均勻性提升是大尺寸碲鎘汞材料最需要關(guān)注的問題之一。

4 結(jié)束語

本文對Sofradir、Teledyne、Raytheon、AIM四家紅外探測器研發(fā)領(lǐng)域行業(yè)領(lǐng)先的研究機構(gòu)近年來大尺寸碲鎘汞材料的研究現(xiàn)狀進行了介紹。為了獲得更大面陣紅外探測器,碲鎘汞材料向著更大尺寸、更高質(zhì)量、更高均勻性方向發(fā)展?？傮w來說,可以將大尺寸碲鎘汞材料技術(shù)路線總結(jié)為:主要采用分子束外延或液相外延的方式,在硅襯底或碲鋅鎘襯底上,通過解決均勻性問題,外延高質(zhì)量的碲鎘汞材料。