【摘要】：在红外探测领域,碲镉汞(HgCdTe)红外探测器因为其高性能的特点而一直发挥着非常重要的作用。以大规模、高性能和低成本为代表的现代先进HgCdTe红外焦平面技术,对HgCdTe材料制备技术提出了新的要求。大规模HgCdTe红外焦平面技术需要大面积的HgCdTe外延材料支撑;高性能器件需要通过提高HgCdTe材料的少子寿命来抑制探测器的暗电流,需要在对晶体缺陷深入认识的基础上进一步提高材料的晶体质量;而低成本器件的制作则希望找到工艺制造成本低、成品率高、可靠性好和工作温度高的新的工艺技术路线。n+-on-p是工艺成熟度较高的一种技术路线,问题是如何解决p型HgCdTe材料少子寿命低的困扰,Au掺杂是提高p型材料少子寿命的一种途径,但仍存在着Au掺杂原子不稳定的问题。针对上述需求和问题,本论文围绕大面积高性能Au掺杂p型HgCdTe材料的制备技术和性能展开了系统的研究。主要研究内容和取得的创新性研究成果如下:1.研究了大面积HgCdTe液相外延技术,获得了50mm×50mm高性能HgCdTe外延材料。通过改进样品架的设计和使用衬底背面保护技术,将外延材料的尺寸从40mm×30mm提高到了50mm×50mm,单片材料面积提高了一倍,单轮次生长的外延材料总面积提高了50%。材料的位错腐蚀坑密度能够做到小于1×105 cm-2,材料的X光双晶半峰宽(FWHM)达到了27.36??,X光形貌像显示材料晶体结构的均匀性好,表面缺陷密度低。单片材料的组分均方差为0.0004,厚度均方差为0.4?m,组分和厚度均匀性达到了国际先进水平。该技术为增大红外焦平面探测器的规模和产能奠定了材料供片基础。2.研究了HgCdTe液相外延的Au原子原位掺杂技术。借助精确的SIMS测试技术,并通过对测量结果的分析,获得了准确测定Au原子分凝系数的方法,得到了Au在长波HgCdTe富Te液相外延过程中的分凝系数为0.0085,实现了HgCdTe材料Au掺杂浓度的精确控制。3.研究了不同的退火技术对Au原子分布的影响,分析得到了Au原子的迁移扩散机理,并找到了调节Au掺杂原子分布的退火技术。研究表明,在平衡状态下,Au掺杂HgCdTe材料中的Au原子浓度与Hg空位浓度成正比例关系。而在非平衡态下,由于Au原子的扩散远快于Hg空位,两者之间的关系能够保持动态平衡,Au原子浓度的变化完全依赖于Hg空位浓度的变化。基于Au原子与Hg空位之间的依赖关系,解释了Au原子在HgCdTe外延材料中发生迁移的规律,如退火将Au原子迁移到衬底中,B+离子注入产生的Hg填隙导致Au原子在成结的后续退火过程中发生迁移的规律。研究还发现,采用不同的退火技术,如富Hg退火、富Te退火和复合退火(富Hg加富Te退火),可以使得材料中Au原子浓度的纵向分布分别呈正梯度、均匀和负梯度分布,该技术为Au掺杂p型HgCdTe材料的应用提供了更多的选择。4.基于Au原子在HgCdTe材料中发生迁移的规律,对富Hg退火后Au掺杂样品的Hall系数为负的机理给出了合理的解释,经富Hg退火后,样品表层Au原子随Hg空位一起消失,使得表层转化为以剩余施主导电为主的n型材料,在热处理时间不充分的条件下,外延材料内部仍然保留p型性质,由于电子迁移率远高于空穴,材料整体的Hall系数仍为负;富Te退火和复合退火获得的材料以Hg空位和Au原子受主产生的空穴导电为主,其Hall参数随温度和磁场的变化规律与非掺杂的p型Hg空位材料相同,两者的差异仅体现在低温下载流子冻结的激活能上。Au掺杂材料的等效受主能级为13.3meV,而单纯Hg空位掺杂材料的受主能级为19.9meV。5.系统地研究了晶格失配对HgCdTe液相外延材料性能的影响,研究发现晶格失配在外延层中引入的应力将导致失配位错的产生,并影响材料表面的精细形貌。在≤0.004%和≥0.04%的失配度范围,晶格失配将导致X光貌相和表面形貌呈现三重对称的cross-hatch形貌,在失配度≥0.08%后,X光貌相显示的cross-hatch形貌变得很明显。深入的研究表明,cross-hatch现象源于平行于材料表面的110失配位错。6.随着失配度的进一步增大,X光的cross-hatch形貌将向mosaic形貌转变,当失配度超出0.02%~0.11%的范围后,失配位错的聚集将引起特定晶向的小平面生长,导致大量宏观缺陷的产生,并在表面形成大量的微观孔洞,材料表面呈现出粗糙结构,其线粗糙度值大于0.2?m。研究结果表明,控制晶格失配度在合适的范围内,能够消除这种表面缺陷。7.制备了实验型Au掺杂n+-on-p器件,给出了器件性能测试结果。测试结果表明77K下14.3?m截止波长器件的R0A值达到了0.1Ωcm2,超过了Hg空位掺杂器件的水平,显示了Au掺杂技术的优越性。
【图文】：
HgCdTe探测器的发展历史[3]
- 2 -图 1-2 HgCdTe 红外探测器的演变时间轴及与其相关的关键技术工艺[3]最早发展的是 HgCdTe 材料的光导器件，1964 年德州仪器公司采用Bridgeman 工艺生长的晶体材料率先研制出了 HgCdTe 光导器件。1965 年，Verie等人通过把 Hg 扩散进 Hg 空位掺杂的 p 型材料制成了光伏型探测器，但只是用于 CO2激光器的激光辐射高速探测[6,7]。1960 年代到 1970 年代早期是第一代HgCdTe 探测器的发展时期，，主流探测器是 n 型材料制备的光导器件，器件规模为单元或多元线列。在 1969 年，Bartlett 等人报道了工作在 77K 的长波红外光导探测器达到了背景限性能[8]。到 1980 年代初期的时候，光导器件趋于成熟，代
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN215
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1 本报通讯员 陈铩〈藿
本文编号：2522645
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