碲锌镉衬底上中长双色红外碲镉汞分子束外延生长研究杨春章;覃钢;李艳辉;李达;孔金丞【摘要】Results are reported on the molecular-beam epitaxial (MBE) growth of a dual-band HgCdTe (MCT) structure. The structures were designed for a mid/long(M/L)-wavelength infrared detector, grown at 180℃ on (211)B-oriented CdZnTe substrates. Growth details including substrate deoxidation, growth temperature, and buffer layer are also reported. The surface quality, defect quantity, compositional uniformity, thickness uniformity, composition profile and crystal quality were analyzed and tested using phase contrast microscopy, scanning electron microscopy, Fourier-transform infrared transmission, secondary-ion mass spectroscopy and X-ray diffraction rocking curve. The surface defect was less than600cm-2, the com positional uniformity was≤0.001 and thickness uniformity was≤0.9μm, the XRD FWHM shows a 65arcsec result, all indicating good surface and crystal quality for our dual-band MBE MCT.%报道了使用分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)技术,在(211)B碲镉汞(CdZnTe,CZT)衬底上生长中长波双色碲镉汞(HgCdTe,MCT)薄膜材料,生长温度为180℃,研究了双色碲镉汞薄膜材料衬底脱氧技术、分子束外延薄膜生长温度与缓冲层生长等关键技术,实现了中长波双色碲镉汞薄膜生长,外延薄膜采用相差显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、二次离子质谱仪(SIMS)及X射线衍射仪(XRD)对薄膜的表面缺陷、厚度、组分及其均匀性、薄膜纵向组分以及晶体质量进行了表征,表面缺陷数量低于600 cm-2,组分(300 K测试)和厚度均匀性分别为?x≤0.001、?d≤0.9μm,X-Ray双晶衍射摇摆曲线FWHM=65 arcsec,得到了质量较高的中长波双色碲镉汞薄膜材料.【期刊名称】《红外技术》【年(卷),期】2018(040)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】碲锌镉;中长波双色;碲镉汞;分子束外延【作者】杨春章;覃钢;李艳辉;李达;孔金丞【作者单位】昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223;昆明物理研究所,云南昆明 650223【正文语种】中文【中图分类】TN3040 引言1959年 Lawson发明了碲镉汞（Hg1－xCdxTe或MCT）红外材料。
碲镉汞是一种闪锌矿结构、禁带宽度连续可调的直接带隙三元化合物半导体。
改变组分x，其带隙满足 1～3 μm、3～5 μm 和 8～14 μm 三个大气窗口的红外探测 [1-3]。
碲镉汞材料制备技术中分子束外延（MBE）技术因其超高真空环境、低温生长、灵活的原位掺杂、陡峭界面和组分梯度的多层膜结构生长等优点成为下一代碲镉汞红外焦平面最有希望的“柔性”制造技术之一[4-5]。
在科技发展与军事应用需求的推动下，碲镉汞红外探测器在基础理论研究、材料制备、器件成型工艺等方面也得到了很大的提高。
目前，碲镉汞红外探测器正朝着大面阵、双色多色、超光谱、高帧频、高工作温度（HOT）及单光子探测（SPD）等具有复杂结构的高性能的第三代红外探测器发展。
碲镉汞双色红外焦平面探测器作为典型的第三代红外探测器是由两个不同波段响应的光电二极管在探测芯片纵向上叠加集成的，从而极大地拓展了对目标的识别能力和抗干扰能力，相比单色探测器而言具有更高的探测灵敏度。
自20世纪80年代以来，随着分子束外延技术的成熟，双色多色碲镉汞在国际上得到了欧美等发达国家的重点发展，在材料能带设计、材料制备、器件工艺和测试分析等方面取得了丰硕的成果[6-9]。
本文采用尺寸为20 mm×25 mm的(211)B晶向CZT衬底进行了中长波（中波x ＝0.31，λc＝4.8 μm；长波 x＝0.23，λc＝9.44 μm（77 K））双色碲镉汞薄膜的MBE生长技术研究，并报道了320×256规模中/长波双色红外焦平面探测器的成像演示结果。
1 薄膜生长结构薄膜材料的生长结构如图1所示。
图1 MBE中长双色碲镉汞薄膜材料结构Fig.1 Corss-section schematic forM/L-wavelength dual-bandHgCdTe光子吸收与吸收层厚度满足如下关系：式中：α、d分别为吸收系数和吸收层厚度。
吸收层越厚，光响应越强；但光生载流子与p-n结的距离增加，扩散到p-n结形成光电流的概率下降。
中波和长波碲镉汞材料具有不同的吸收系数，波长越长，吸收系数越小。
如图2所示为理论计算中波和长波峰值吸收的光子透射率和吸收层厚度的关系曲线。
考虑光子的充分吸收以及光生载流子能够充分地扩散到p-n结区；同时，长波吸收层对中波具有光响应，因此需要兼顾器件的相对光谱串音。
鉴于此，本文中设定了中波层的生长厚度约为8 μm，长波层的厚度设定为9 μm。
中长波双色器件采用纵向叠加方式，即两个波段的二极管纵向叠加在一起，因此在两个二极管中间需要一个高组分的Barrier隔离层将二者分隔开以免形成电学串扰，Barrier层的生长厚度约1 μm。
碲镉汞外延完成后，在原生长温度下沉积一层单晶高组分层，用于保护碲镉汞材料的表面，Cap层生长厚度约为500 Å。
图2 光子透射率随吸收层厚度变化拟合曲线Fig.2 Transmission spectra of M/L-wavelength dual-band as a function of absorber layer thickness2 实验碲镉汞材料的生长在 Riber MBE 32p系统上进行，CZT(211)B衬底采用机械抛光＋机械化学抛光＋化抛3步工艺进行表面处理，处理完毕后衬底采用铟粘接的方式固定在钼盘上。
采用钼盘背部热电偶接触式测温的方法进行PID温度控制。
衬底由装载腔室传入生长腔，经350℃脱氧5 min，然后在180℃生长MCT薄膜，脱氧及生长过程根据RHEED线条的变化来监控。
材料生长结束，采用金相显微镜（OLYMPUS MX61L）观察样品表面并统计表面宏观缺陷，傅里叶变换光谱仪（EQUINOX 55型）进行红外透过测试，X射线衍射仪（M18XHF22X型）进行双晶迴摆曲线半峰宽（FWHM）测试，扫描电子显微镜（SEM，FEI公司的NOVA NANOSEM 200型）分析薄膜材料各层厚度。
3 结果及讨论3.1 CZT(211)B衬底处理衬底表面粗糙度对分子束外延碲镉汞薄膜晶体质量有着重要的影响。
通过改进磨抛处理工艺来降低CZT(211)B衬底粗糙度，具体过程包括如下3步：机械抛光、机械化学抛光和化抛。
机械抛光使用浓度为3%的0.3 μm直径Al2O3悬浊液和1%的0.05 μm直径Al2O3悬浊液去除衬底表面大的划痕，机械化学抛光通过优化抛光液及抛光参数，尽可能地消除由于机械抛光带来的衬底表面凸起，最后化抛形成清洁表面。
如图 3所示为工艺改进前后 CZT(211)B样品的AFM 测试结果，衬底在改进磨抛工艺后，表面状况得到较大改善，衬底表面平整度及表面粗糙度都有所提高，在4 μm×4 μm范围内表面粗糙度从4.2 nm减小到0.97 nm。
图3 CZT(211)B表面AFM测试Fig.3 The AFM characterization of theCZT(211)B surface3.2 衬底脱氧及生长过程CZT衬底传入生长腔后需要通过高温脱氧去除材料表面的氧化层，脱氧结束后降温到180℃的HgCdTe生长温度，然后生长HgCdTe。
脱氧及生长过程根据反射式高能电子衍射（RHEED）线条的变化来控制，如图4所示，(a)为CZT脱氧结束后RHEED线条，(b)为HgCdTe生长初始阶段RHEED线条，(c)为HgCdTe层生长稳定后的RHEED线条。
图4 CZT脱氧后及MCT生长过程中的RHEED线条Fig.4 The RHEED pattern revolution during MBE growth of MCT on CZT3.3 生长温度、组分和界面控制采用MBE技术生长碲镉汞薄膜，其生长温区非常狭窄，最佳生长温度在180±1℃。
生长温度偏高容易造成薄膜生长表面缺Hg呈岛状生长模式，而生长温度偏低又容易造成表面富Hg出现孪晶。
本文中采用基于钼盘背部热电偶接触式测温进行温度反馈的方式进行PID自动控温。
同时，采用红外测温仪对样品的生长表面进行温度监测。
图 5所示为双色碲镉汞生长过程的温度变化曲线。
初始阶段，由于发射率变化，红外测温仪的结果有大波动，生长一段时间以后发射率逐渐稳定下来从而使得生长表面温度精确控制在±1℃以内。
材料的组分和界面的控制对器件的性能有着重要的影响。
本文中所生长双色器件共有中长波段两个吸收层，中间还有一个隔离层，各层的组分值x均不一样。
在MBE的生长过程中，采用了两个不同温度的CdTe源快门同步切换来实现各层组分和生长界面的精确控制。
如图6所示为材料解理面的扫描电子显微镜（SEM）图，各层之间界面清晰。
同时，根据图4所示温度曲线可知，快门切换过程中生长温度并未出现大的波动。
图5 碲镉汞薄膜生长时热电偶与红外测温仪温度曲线Fig.5 The growth temperature of HgCdTe film measured by thermocouple and pyrometer图6 MBE中长波双色碲镉汞薄膜SEM图像Fig.6 SEM characterization of M/L-wavelength dual-band HgCdTe grown by MBE3.4 薄膜晶体质量1）表面形貌利用金相显微镜（OLYMPUS MX61L）观察材料的表面，放大倍数为200×，并选取了9个视场对材料表面宏观缺陷进行统计。