碲鎘汞（MCT）材料的表面鈍化是紅外探測(cè)器制備中的關(guān)鍵工藝之一。高性能MCT器件需要穩(wěn)定且可重復(fù)生產(chǎn)的鈍化表面和符合器件性能要求的界面。因此，探究MCT表面鈍化技術(shù)具有重要意義。國(guó)際上，MCT鈍化技術(shù)包括磁控濺射、熱蒸發(fā)、原子層沉積以及MBE等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“硅基碲鎘汞紅外探測(cè)器表面鈍化研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為戴永喜工程師，主要從事紅外探測(cè)器芯片的研究工作。

本文通過對(duì)硅基MCT紅外探測(cè)器的鈍化進(jìn)行初步研究，對(duì)比了MBE鈍化與磁控常規(guī)鈍化的膜層狀態(tài)以及后續(xù)的電流-電壓（Ⅰ-Ⅴ）曲線特征，最終發(fā)現(xiàn)MBE原位鈍化技術(shù)可極大減少M(fèi)CT的表面復(fù)合，提高Ⅰ-Ⅴ曲線的反向平坦區(qū)，進(jìn)而得到更穩(wěn)定的MCT紅外探測(cè)器。

實(shí)驗(yàn)步驟

樣品制備

利用MBE生長(zhǎng)系統(tǒng)在CdTe/Si復(fù)合襯底上制備MCT。采用發(fā)射式高能電子衍射儀和紅外高溫計(jì)原位監(jiān)控生長(zhǎng)過程，主要監(jiān)控外延的表面狀態(tài)與表面溫度。

用相同方法制備兩個(gè)3 in硅基外延MCT樣品A與B。

表征測(cè)試

在樣品A的MCT材料生長(zhǎng)后，直接在MBE設(shè)備內(nèi)對(duì)其進(jìn)行原位鈍化，外延一層厚度約為200 nm的CdTe。然后將樣品A利用磁控濺射設(shè)備生長(zhǎng)一層厚度約為200 nm的ZnS。

在樣品B的MCT材料制備好以后，利用磁控濺射設(shè)備生長(zhǎng)雙層復(fù)合鈍化膜層CdTe/ZnS（厚度分別為100 nm和200 nm）。

用封閉石英管對(duì)鈍化后的樣品A與樣品B進(jìn)行熱處理。利用橢偏儀測(cè)試樣品的膜層厚度與折射率。使用聚焦離子束（FIB）技術(shù)處理樣品A與B，獲得平整清晰的橫截面。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)鈍化層表面及其橫截面形貌。然后進(jìn)行紅外探測(cè)器加工，最終制備圖1所示的器件結(jié)構(gòu)。利用美國(guó)Keithley公司生產(chǎn)的4200-SCS系統(tǒng)進(jìn)行Ⅰ-Ⅴ特性測(cè)試。

圖1 器件結(jié)構(gòu)圖

結(jié)果與討論

鈍化膜層的折射率分析

準(zhǔn)備兩片晶向?yàn)椋?10］的雙面拋光硅片，分別通過MBE和磁控濺射生長(zhǎng)厚度均為200 nm的CdTe。膜層生長(zhǎng)完成后，利用法國(guó)SOPRA公司生產(chǎn)的光譜式橢偏儀完成了表1所示的膜層厚度與折射率表征。

一般來講，折射率可以表征鈍化膜層的致密性。用橢偏儀表征膜層的厚度與折射率。從表1中可以看出，MBE生長(zhǎng)的CdTe膜層的折射率為3.02，大于磁控濺射生長(zhǎng)的鈍化膜層的折射率。也就是說，在一定條件下，MBE原位鈍化生長(zhǎng)的CdTe 比磁控濺射生長(zhǎng)的CdTe致密。以前曾有文獻(xiàn)報(bào)道過此結(jié)果。

表1 MBE和磁控濺射生長(zhǎng)的CdTe的膜層厚度與折射率

鈍化表面及其橫截面形貌

本次實(shí)驗(yàn)選取兩片短波硅基材料。其中一片用MBE法進(jìn)行原位鈍化，生長(zhǎng)厚度為200 nm的CdTe膜層；另一片用磁控濺射法進(jìn)行鈍化，生長(zhǎng)厚度為100 nm的CdTe膜層。圖2所示為用SEM觀察MBE鈍化表面及其橫截面形貌的結(jié)果。圖３所示為用SEM觀察磁控濺射鈍化的結(jié)果。

圖2 通過MBE法原位鈍化的CdTe的SEM圖

圖3 通過磁控濺射法鈍化的CdTe的SEM圖

通過對(duì)比圖２與圖３可以看出，MBE原位鈍化的CdTe呈較致密細(xì)致的單晶態(tài)，原位鈍化的CdTe表面形貌較好，缺陷孔洞較少。由圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，CdTe在生長(zhǎng)過程中形成了晶粒，因此用SEM觀察時(shí)其表面有細(xì)小的晶粒物質(zhì)。另外，該表面出現(xiàn)相同方向的生長(zhǎng)波紋，這是由MBE生長(zhǎng)中的［211］晶向到碲化鎘生長(zhǎng)時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致的。

磁控濺射鈍化的CdTe表面形貌較差。圖3（b）中出現(xiàn)了大量的不規(guī)則孔洞。它們可能是生長(zhǎng)過程中原子團(tuán)簇沉積到襯底上，經(jīng)過后退火形成的缺陷孔洞。

圖4是MBE原位鈍化的器件橫截面的SEM圖。圖5是磁控濺射鈍化的器件橫截面的SEM圖。通過對(duì)比兩者可以看出，用SEM觀察截面時(shí)，MBE原位鈍化的CdTe孔洞較小、數(shù)量也較少。磁控濺射鈍化的CdTe孔洞較大且數(shù)量也較多。這些孔洞大多來源于生長(zhǎng)過程中的缺陷。有些孔洞甚至直接貫穿整個(gè)鈍化層。這些較大的孔洞對(duì)探測(cè)器流片過程中的接觸孔腐蝕等其他工藝是否會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步影響，需要我們進(jìn)一步去研究。

圖4 MBE原位鈍化的FIB截面的SEM圖

圖5 磁控濺射鈍化的FIB截面的SEM圖

從鈍化層與MCT接觸的分層來看，MBE原位鈍化的分層更明顯。兩種不同鈍化條件的芯片的熱處理?xiàng)l件是相同的。原位鈍化MCT和碲化鎘之間主要依靠的是化學(xué)鍵作用，退火時(shí)310℃的溫度不足以造成Te-Cd斷裂，僅存在Hg交換，所以退火后界面沒有形成較好的“互擴(kuò)散層”。磁控濺射鈍化的CdTe與MCT在經(jīng)過310℃熱處理后形成了較好的“互擴(kuò)散層”。

不同鈍化技術(shù)下的Ⅰ-Ⅴ性能

在相同條件下同時(shí)對(duì)MBE原位鈍化的短波硅基材料與磁控濺射鈍化的短波硅基材料進(jìn)行了熱處理、光刻圖形與電極沉積等器件流片工藝。對(duì)于采用不同鈍化工藝制備的MCT短波紅外焦平面器件，利用液氮制冷，待溫度穩(wěn)定后使用美國(guó)Keithley公司生產(chǎn)的4200-SCS系統(tǒng)進(jìn)行Ⅰ-Ⅴ特性測(cè)試。圖6是MBE鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ曲線，圖7是磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ曲線。

圖6 MBE原位鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試圖

圖7 磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試圖

Ⅰ-Ⅴ電學(xué)特性可以較好地表征器件P-N結(jié)的電學(xué)特性，也可以從側(cè)面表征鈍化層的質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的鈍化層可以較好地消除材料表面的懸掛鍵，降低表面暗電流，使器件的電學(xué)性能得到進(jìn)一步提升。

通過對(duì)比不同鈍化條件的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果可以看出：（1）MBE原位鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ結(jié)果是，零偏阻抗值為2.8 GΩ，電流值為3.45 nA，反向平坦區(qū)可以達(dá)到600 mV。（2）磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ結(jié)果是，零偏阻抗值為1.4 GΩ，電流值為2.41 nA，反向平坦區(qū)為300 mV。從數(shù)據(jù)對(duì)比來看，磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ結(jié)果較差，這可能是由于常規(guī)CdTe鈍化的紅外探測(cè)器在生長(zhǎng)CdTe/ZnS雙層鈍化膜前，MCT材料經(jīng)溴基腐蝕液腐蝕后，MCT材料表面會(huì)有一段時(shí)間暴露于大氣中，此時(shí)表面會(huì)發(fā)生氧化，形成的表面態(tài)對(duì)材料表面復(fù)合速率影響較大。鈍化層表面缺陷孔洞較多，也會(huì)影響表面的復(fù)合速率，導(dǎo)致器件的暗電流變大、Ⅰ-Ⅴ性能變差。對(duì)于MBE原位鈍化的CdTe，在MBE生長(zhǎng)完MCT后直接進(jìn)行原位鈍化，不會(huì)使材料暴露在大氣中，因此CdTe與MCT之間可以形成一個(gè)良好的界面。MBE原位鈍化的CdTe表面缺陷孔洞較少，因此它的Ⅰ-Ⅴ性能較好。

結(jié)束語

從折射率的表征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MBE原位鈍化膜層的致密性比磁控濺射常規(guī)鈍化膜層好，而且MBE原位鈍化的鈍化層表面的缺陷孔洞較小，鈍化層與MCT本身的晶格匹配度較好。對(duì)于MBE原位鈍化的CdTe，在MBE生長(zhǎng)完MCT后直接進(jìn)行原位鈍化，不會(huì)使材料暴露在大氣中，因此CdTe與MCT之間可以形成一個(gè)良好的界面。MBE原位鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ性能結(jié)果較好，零偏阻抗值為2.8 GΩ，電流值為3.45 nA，反向平坦區(qū)可以達(dá)到600 mV。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原位鈍化生長(zhǎng)技術(shù)具有更致密的CdTe膜層和更潔凈的表面，MBE原位鈍化比磁控濺射鈍化有更明顯的優(yōu)勢(shì)。MBE原位鈍化技術(shù)將是未來發(fā)展的重要方向之一，其參數(shù)優(yōu)化以及鈍化后的熱處理是我們以后研究的重點(diǎn)。

審核編輯：彭菁