隨著碲鎘汞紅外焦平面技術的發展，對碲鎘汞材料的面積大小、組分均勻性以及電學性質的要求越來越高。要實現載流子在較大范圍內的控制以滿足各類紅外探測器的要求，需要對碲鎘汞材料進行摻雜。摻雜技術與pn結的性能及質量相關。基于p-on-n器件結構，n型摻雜時少子壽命高，光電二極管的暗電流較低。此外，n型吸收層的高電子遷移率降低了串聯電阻，可制備非常大的陣列。

據麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發表了以“分子束外延In摻雜硅基碲鎘汞研究”為主題的文章。該文章第一作者為王丹，主要從事紅外材料分子束外延技術方面的研究工作。

本文主要利用MBE設備實現了硅基MCT的原位n型摻雜。在固定MCT組分下，研究了In源溫度與n型摻雜水平的關系。此外，制備了不同In摻雜濃度的MCT外延材料，研究了摻雜濃度對材料位錯的影響。在低溫汞飽和蒸氣壓下對材料進行了處理，然后測試了汞空位補償后材料的電學性能，并研究了退火后材料電學性能的變化情況，最終實現了質量高、電學性能良好的In摻雜MCT材料制備。

實驗過程

利用芬蘭DCA儀器公司生產的MBE生長系統在3 in Si（211）晶圓表面上生長In摻雜MCT外延層。生長之前，對Si晶圓襯底進行表面預處理。經過濕化學清洗過程，在硅晶圓表面上形成氫鈍化層。氫鈍化后，將硅晶圓裝入進樣艙和緩沖室（進行除氣），再將其轉入生長腔室。首先進行氫脫附，再經過As鈍化、ZnTe緩沖層生長，最后生長厚度約為6 μm的CdTe緩沖層。采用直接摻雜的方法將In摻至MCT中。生長MCT時直接打開In源的擋板門。當MCT生長結束時關閉所有擋板門，獲得In摻雜MCT外延片。設置不同的In源溫度，制備In梯度摻雜MCT外延層，用于研究源溫對In摻雜濃度的影響。

將In摻雜MCT外延片劃成20 mm×20 mm的小片，封管后在汞飽和條件下進行汞空位補償退火。將所有實驗樣品在250℃汞飽和蒸氣壓下退火48 h。

用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）測試樣品材料的組分和厚度。用光學顯微鏡和場發射掃描電子顯微鏡（SEM）觀測MCT外延層的表面形貌。In摻雜水平通過SIMS進行測試表征。對In摻雜MCT外延片進行汞空位補償處理后，在液氮溫度下對其進行了霍爾測試，以確定材料的類型、載流子濃度和載流子遷移率。使用Chen腐蝕液來確定腐蝕坑密度（EPD）。

結果分析及討論

基于單質In，在固定組分的情況下進行了In梯度摻雜MCT薄膜的制備。在同一生長過程中，相比于非摻雜MCT制備，僅升高In源溫度，最終獲得了材料厚度為8.5 μm、組分為0.30的MCT外延層。

用SIMS檢測摻雜的In離子濃度（結果見圖1）。摻雜源溫度分別為400℃、420℃、435℃和450℃。從圖1中可以看出，In摻雜區濃度基本沒有波動，表明摻雜濃度均勻；改變摻雜源溫度時，出現明顯的陡峭坡度，說明通過直接控制擋板門的開關即可開始或停止摻雜過程。使用單質In可使組分為0.3左右的MCT材料實現1×101?～2×101?cm?3的摻雜濃度。

對于In摻雜，在同一生長過程中，通過調整In源溫度可制備出不同摻雜水平的碲鎘汞。美國Raytheon Vision Systems公司的相關研究表明，在相同的生長過程中，In摻雜對MCT的組分值不敏感。對于給定的源溫，不論組分值是多少，都會得到相同的摻雜水平。在典型的生長溫度范圍（170～190℃）內，In摻雜不依賴于生長溫度，而只依賴于生長速率；在固定的源溫下，通過較低的生長速率可以得到較高的摻雜水平。

圖1 In梯度摻雜MCT的SIMS測試結果

生長在硅襯底上的MCT薄膜的表面宏觀缺陷和內部位錯是影響紅外探測器性能的兩類最重要的缺陷。相比于在晶格匹配的CdZnTe襯底上生長MCT，在硅替代襯底中減小位錯密度仍是一個重大挑戰。在MBE過程中，生長溫度和束流比對MCT外延層的位錯和表面缺陷密度有較大的影響。在固定源溫下，元素的粘附系數是影響材料質量的主要因素。由于Te和Cd的粘附系數高，Te或CdTe變化僅會改變生長速率和成分，而對表面形態沒有明顯影響。在理想的生長溫度下，保持生長溫度恒定，通過改變In束流的大小可獲得不同n型摻雜濃度的MCT外延材料。因此，為了制備高質量n型MCT材料，將In的粘附系數作為In束流的函數進行了研究。

In摻雜實驗過程中對摻雜濃度進行精確控制。通過調節In源溫度，測試In束流的大小。表1中顯示了不同In摻雜溫度與束流大小的對應關系。當In源溫度控制在435℃時，In的束流值為1.8×10?? Torr；直至溫度降低為400℃時，束流值與MBE腔內背景值基本一致。圖2是In束流與SIMS測試的In摻雜水平的關系圖?？梢钥闯?，在摻雜濃度9×101? cm?3以下，In摻雜水平隨著In束流的增加而線性增加。

表1 MBE原位In摻雜工藝及參數

圖2 In摻雜水平與In束流的關系圖

利用FTIR光譜儀對樣品進行組分及厚度測量。測試點均勻分布，基本涵蓋整個3 in MCT外延片。樣品組分值在設計值0.3左右（見表1）。測試結果表明，整片組分標準偏差的最大值約為±0.0004，生長的MCT厚度在4～5 μm之間?？梢钥闯?，在MBE系統中獲得的In摻雜外延片具有優異的面組分均勻性。

利用Chen腐蝕劑腐蝕材料，產生與位錯1∶1對應的腐蝕坑。圖3為不同In摻雜濃度MCT材料位錯的SEM圖。經統計，不同In濃度樣品的EPD值分別為1.98×10? cm?2、1.71×10? cm?2、1.80×10? cm?2，與未摻雜MCT的EPD值相當。圖3（a）和圖3（bb）顯示了MCT樣品的位錯形狀，主要的腐蝕坑形態為三角形，同時也有少量傾斜角形狀（綠色標注）和類魚眼狀（紅色標注）。圖中三角形位錯是數量最多的形狀，沿＜111＞方向排列。Vaghayenegar M等人認為三角形凹坑與Frank部分位錯相關，類魚眼狀腐蝕坑與具有1/2［011］Burgers向量的位錯相關，斜坑的性質比類魚眼狀和三角形坑更復雜。他們利用循環熱退火證實了類魚眼狀腐蝕坑是退火期間與其他位錯發生反應的移動位錯。

圖3 不同In摻雜濃度MCT材料位錯的SEM圖

一般用霍爾效應測量半導體中載流子的運輸特性，可得到載流子類型、濃度和遷移率等電學參數。為了測量In摻雜MCT的電學性質，在0.1Ｔ磁場強度、77 K溫度下對外延片進行霍爾測試（結果見表2）。原生未摻雜MCT外延片的霍爾測試結果顯示為p型，載流子濃度為4.86×101? cm?3，遷移率為356 cm2/（V·s）。由于MBE碲鎘汞為富碲生長，因此原生片表現為以汞空位為主的p型材料。

表2 不同In摻雜濃度時的霍爾測試結果

對于表2中所制備的未摻雜MCT外延層，經過低溫汞空位補償后，n型濃度為7.42×101? cm?3，比In摻雜材料電子的有效遷移率值低。究其主要原因，是缺陷層中含有低遷移率局域電子。另外，當電子濃度較低時，材料中存在的受主雜質呈電離狀態，沒有施主電子的充分補償，其散射作用較明顯，導致遷移率較低。

利用SIMS測試了420℃源溫下生長的In摻雜MCT外延片（結果見圖4）?？梢钥闯?，In摻雜濃度約為2.9×101? cm?3?；魻枩y試中此原生材料的載流子濃度約為2.9×101? cm?3，遷移率為22294 cm2/（V·s）。在這項工作中研究的In摻雜MCT外延片接近100％載流子激活。

圖4 420℃源溫下生長的In摻雜MCT外延片的SIMS圖

不同摻雜濃度的MCT外延片在250℃汞飽和蒸氣壓下退火48 h后的載流子濃度和遷移率結果如圖5所示?？梢钥闯觯嘶鸷蟛牧系碾妼W性能有所改善，具體表現為載流子遷移率提高，載流子濃度沒有顯著變化。In摻雜能夠提高材料的均勻性，從而獲得較高的電子遷移率。

圖5 退火前后不同In摻雜濃度MCT的載流子濃度和遷移率分布圖

結束語

利用MBE系統生長了In摻雜硅基MCT材料?；谥苯訐诫s的方法，通過控制摻雜源溫度獲得了不同摻雜水平的MCT外延片。SIMS測試表明，摻雜濃度范圍為1×101?～2×101?cm?3。研究發現，在小于9×101?cm?3的摻雜范圍內，In摻雜水平隨著In束流的增加而線性增加。對比不同In摻雜濃度的MCT組分、表面形貌和晶體質量后可知，2×101?cm?3的低濃度摻雜并不會造成材料表面質量的劣化和位錯密度的增加。利用霍爾測試對In摻雜MCT的載流子濃度、遷移率和導電類型進行了表征。

結果表明，In摻雜MCT外延片為n型導電；與未摻雜樣品相比，In摻雜材料的電子有效遷移率明顯提高。在250℃汞飽和蒸氣壓下退火后，In摻雜MCT外延片接近100%載流子激活。隨著焦平面陣列向大規格、高工作溫度發展，需要進一步對材料微觀結構和雜質缺陷等的產生機理以及摻雜后材料電學性能的提升方法進行研究。

審核編輯：劉清