碲锌镉衬底上中长双色红外碲镉汞分子束外延生长研究

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 than

600cm-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】TN304

0 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 for

M/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