【摘要】：在紅外探測領域,碲鎘汞(HgCdTe)紅外探測器因為其高性能的特點而一直發(fā)揮著非常重要的作用。以大規(guī)模、高性能和低成本為代表的現(xiàn)代先進HgCdTe紅外焦平面技術,對HgCdTe材料制備技術提出了新的要求。大規(guī)模HgCdTe紅外焦平面技術需要大面積的HgCdTe外延材料支撐;高性能器件需要通過提高HgCdTe材料的少子壽命來抑制探測器的暗電流,需要在對晶體缺陷深入認識的基礎上進一步提高材料的晶體質量;而低成本器件的制作則希望找到工藝制造成本低、成品率高、可靠性好和工作溫度高的新的工藝技術路線。n+-on-p是工藝成熟度較高的一種技術路線,問題是如何解決p型HgCdTe材料少子壽命低的困擾,Au摻雜是提高p型材料少子壽命的一種途徑,但仍存在著Au摻雜原子不穩(wěn)定的問題。針對上述需求和問題,本論文圍繞大面積高性能Au摻雜p型HgCdTe材料的制備技術和性能展開了系統(tǒng)的研究。主要研究內(nèi)容和取得的創(chuàng)新性研究成果如下:1.研究了大面積HgCdTe液相外延技術,獲得了50mm×50mm高性能HgCdTe外延材料。通過改進樣品架的設計和使用襯底背面保護技術,將外延材料的尺寸從40mm×30mm提高到了50mm×50mm,單片材料面積提高了一倍,單輪次生長的外延材料總面積提高了50%。材料的位錯腐蝕坑密度能夠做到小于1×105 cm-2,材料的X光雙晶半峰寬(FWHM)達到了27.36??,X光形貌像顯示材料晶體結構的均勻性好,表面缺陷密度低。單片材料的組分均方差為0.0004,厚度均方差為0.4?m,組分和厚度均勻性達到了國際先進水平。該技術為增大紅外焦平面探測器的規(guī)模和產(chǎn)能奠定了材料供片基礎。2.研究了HgCdTe液相外延的Au原子原位摻雜技術。借助精確的SIMS測試技術,并通過對測量結果的分析,獲得了準確測定Au原子分凝系數(shù)的方法,得到了Au在長波HgCdTe富Te液相外延過程中的分凝系數(shù)為0.0085,實現(xiàn)了HgCdTe材料Au摻雜濃度的精確控制。3.研究了不同的退火技術對Au原子分布的影響,分析得到了Au原子的遷移擴散機理,并找到了調(diào)節(jié)Au摻雜原子分布的退火技術。研究表明,在平衡狀態(tài)下,Au摻雜HgCdTe材料中的Au原子濃度與Hg空位濃度成正比例關系。而在非平衡態(tài)下,由于Au原子的擴散遠快于Hg空位,兩者之間的關系能夠保持動態(tài)平衡,Au原子濃度的變化完全依賴于Hg空位濃度的變化�；贏u原子與Hg空位之間的依賴關系,解釋了Au原子在HgCdTe外延材料中發(fā)生遷移的規(guī)律,如退火將Au原子遷移到襯底中,B+離子注入產(chǎn)生的Hg填隙導致Au原子在成結的后續(xù)退火過程中發(fā)生遷移的規(guī)律。研究還發(fā)現(xiàn),采用不同的退火技術,如富Hg退火、富Te退火和復合退火(富Hg加富Te退火),可以使得材料中Au原子濃度的縱向分布分別呈正梯度、均勻和負梯度分布,該技術為Au摻雜p型HgCdTe材料的應用提供了更多的選擇。4.基于Au原子在HgCdTe材料中發(fā)生遷移的規(guī)律,對富Hg退火后Au摻雜樣品的Hall系數(shù)為負的機理給出了合理的解釋,經(jīng)富Hg退火后,樣品表層Au原子隨Hg空位一起消失,使得表層轉化為以剩余施主導電為主的n型材料,在熱處理時間不充分的條件下,外延材料內(nèi)部仍然保留p型性質,由于電子遷移率遠高于空穴,材料整體的Hall系數(shù)仍為負;富Te退火和復合退火獲得的材料以Hg空位和Au原子受主產(chǎn)生的空穴導電為主,其Hall參數(shù)隨溫度和磁場的變化規(guī)律與非摻雜的p型Hg空位材料相同,兩者的差異僅體現(xiàn)在低溫下載流子凍結的激活能上。Au摻雜材料的等效受主能級為13.3meV,而單純Hg空位摻雜材料的受主能級為19.9meV。5.系統(tǒng)地研究了晶格失配對HgCdTe液相外延材料性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)晶格失配在外延層中引入的應力將導致失配位錯的產(chǎn)生,并影響材料表面的精細形貌。在≤0.004%和≥0.04%的失配度范圍,晶格失配將導致X光貌相和表面形貌呈現(xiàn)三重對稱的cross-hatch形貌,在失配度≥0.08%后,X光貌相顯示的cross-hatch形貌變得很明顯。深入的研究表明,cross-hatch現(xiàn)象源于平行于材料表面的110失配位錯。6.隨著失配度的進一步增大,X光的cross-hatch形貌將向mosaic形貌轉變,當失配度超出0.02%~0.11%的范圍后,失配位錯的聚集將引起特定晶向的小平面生長,導致大量宏觀缺陷的產(chǎn)生,并在表面形成大量的微觀孔洞,材料表面呈現(xiàn)出粗糙結構,其線粗糙度值大于0.2?m。研究結果表明,控制晶格失配度在合適的范圍內(nèi),能夠消除這種表面缺陷。7.制備了實驗型Au摻雜n+-on-p器件,給出了器件性能測試結果。測試結果表明77K下14.3?m截止波長器件的R0A值達到了0.1Ωcm2,超過了Hg空位摻雜器件的水平,顯示了Au摻雜技術的優(yōu)越性。
【圖文】：

HgCdTe探測器的發(fā)展歷史[3]

- 2 -圖 1-2 HgCdTe 紅外探測器的演變時間軸及與其相關的關鍵技術工藝[3]最早發(fā)展的是 HgCdTe 材料的光導器件，1964 年德州儀器公司采用Bridgeman 工藝生長的晶體材料率先研制出了 HgCdTe 光導器件。1965 年，Verie等人通過把 Hg 擴散進 Hg 空位摻雜的 p 型材料制成了光伏型探測器，但只是用于 CO2激光器的激光輻射高速探測[6,7]。1960 年代到 1970 年代早期是第一代HgCdTe 探測器的發(fā)展時期，，主流探測器是 n 型材料制備的光導器件，器件規(guī)模為單元或多元線列。在 1969 年，Bartlett 等人報道了工作在 77K 的長波紅外光導探測器達到了背景限性能[8]。到 1980 年代初期的時候，光導器件趨于成熟，代
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN215

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本文編號：2522645