常規的碲鎘汞PIN結構雪崩器件一般采用non-p結構，其中最為關鍵的雪崩Ⅰ區采用離子注入及推結退火的后成結工藝。這些工藝步驟將改變原生材料的性質，前期理論模擬研究表明，雪崩Ⅰ區的質量對APD器件的暗電流至關重要。因此，對于雪崩Ⅰ區真實材料性能的研究將對后續APD器件的工藝優化提供有效基礎支撐。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中科院上海技術物理研究所紅外材料與器件重點實驗室的科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發表了以“碲鎘汞PIN結構雪崩器件的Ⅰ區材料晶體質量研究”為主題的文章。該文章第一作者為沈川副研究員，通訊作者為陳路研究員，主要從事基于PIN結構的碲鎘汞線性雪崩焦平面器件技術的研究工作。

本文通過單項實驗對比與分析，選取原生HgCdTe材料，對其進行PIN結構雪崩器件的全過程工藝模擬，形成大面積的雪崩Ⅰ區。采用微分霍爾、微分少子壽命等測試手段進行材料表征，評估獲得了關鍵雪崩區域的真實材料晶體質量。

實驗過程

本文在CdZnTe襯底上采用LPE方法生長Hg空位摻雜的P型HgCdTe外延材料，經過B+離子注入以及退火工藝后，由于Hg原子的填隙擴散，形成PI-N結構的平面結雪崩器件。圖1為其器件結構示意圖，其中N-區域即為由后成結工藝形成的雪崩Ⅰ區。

圖1 HgCdTe APD的二維結構模型

單項實驗中，我們先選取外延后的材料切片成邊長為1 cm的正方形樣品，樣品組分為0.3254，HgCdTe層厚度為15.5 μm。成結工藝開始前，對實驗材料進行表面缺陷以及XRD檢測，確保材料初始質量性狀滿足并接近實際雪崩器件狀態。接著，通過常規的PIN成結工藝對實驗材料進行相同的器件全過程工藝模擬。實驗材料經過表面清洗、腐蝕、P型退火、阻擋層生長、離子注入以及推結退火等工藝過程。整個實驗過程幾乎完全模擬常規的器件工藝，以求能最大限度地模擬真實器件的Ⅰ區，獲得最接近真實器件的Ⅰ區材料狀態。其中，唯一的區別為離子注入時是材料全面積的注入過程。

雪崩Ⅰ區成型后，我們對實驗材料進行縱向的微分剝層，剝層精度控制在0.3~1 μm之間，測試溫度為80 K。每次的微分剝層中進行霍爾濃度以及少子壽命的測量。整個縱向剝層從N+區經過Ⅰ區，一直到達最后的P區，覆蓋整個PIN雪崩結構，從而獲得了整個PIN結的材料霍爾濃度和少子壽命的分布情況。

結果分析

從前期的理論模擬以及暗電流研究可知，關鍵雪崩Ⅰ區的有效控制，是高性能HgCdTe雪崩焦平面器件制備的第一要素，包括Ⅰ區的輪廓參數和材料質量性質。因為是后成結工藝，且離子注入以及退火都會顯著地改變原生材料性狀，所以真實的Ⅰ區表征是考量后續工藝的關鍵因素。本文我們對Ⅰ區的材料質量進行了定量化的研究。

圖2為整個PIN結的材料霍爾濃度和總少子壽命的分布曲線。其中，橫坐標為微分剝層的深度，0 μm處即為材料的表層位置。三角形點為各層的材料總少子壽命隨著深度的分布變化，圓形點為各層的材料霍爾濃度隨著深度的分布變化。圖2中，按照材料霍爾濃度的分布變化曲線，我們可以看到，其霍爾濃度在整個縱向有兩個大的跳變，分別是深度1 μm左右和深度8 μm左右。結合PIN結構的成結特性，可以分析獲得材料表層0~0.9 μm為N+區域，P區在深度8.5 μm以上，而我們最關鍵的雪崩Ⅰ區在0.9~8.5 μm之間。

由此，從圖中我們分析Ⅰ區的少子壽命可以看到，隨著深度的增加，Ⅰ區的少子壽命呈現先有一段穩定區然后慢慢降低的過程。結合霍爾濃度分布變化，可以確認3~8 μm處的分布變化是由于穿透深度的原因。當剝層表面到材料內部P區界面的距離小于穿透深度時，測試值會受到P區影響，造成測試獲得的少子壽命值偏小，從而呈現隨著深度下降的現象。而大于穿透深度時，因為未受到P區影響，所以認為是準確值。由此可見，圖中1~3 μm段的少子壽命表征的是真實Ⅰ區內材料的少子壽命值，其均值約6.6 μs。

圖2 整個PIN結的材料霍爾濃度和總少子壽命的分布曲線圖

對于HgCdTe紅外探測器，少子壽命是決定探測器性能的重要參數，其由三種機制代表的三種少子壽命組成，分別為輻射壽命、俄歇壽命和SRH壽命。輻射機制是一個導帶非平衡電子和一個價帶非平衡空穴直接復合，產生的能量（大約等于禁帶寬度）以聲子的形式釋放。

俄歇機制是一種帶帶間的直接復合機制，一般分為俄歇1和俄歇7兩種，而俄歇1是n型半導體中的主要機制。

SRH機制是非平衡載流子通過禁帶中的復合中心能級復合的過程。SRH過程分兩步進行：第一步是少子被復合中心俘獲，第二步是俘獲的少子和多子再結合，產生的能量以光子或聲子的形式釋放。SRH機制中的復合中心（簡稱為SRH復合中心）一般是由晶體的不完整性形成。所以，我們一般認為SRH壽命的大小能用來表征材料的質量。

這三種機制組成材料的總少子壽命，而且從公式可見，其隨著材料的溫度而變化。所以我們可以采用變溫少子壽命的方式，測量不同溫度下材料少子壽命的分布變化，然后擬合獲得相應的SHR壽命，表征雪崩Ⅰ區的真實材料性能。

圖3 實驗材料剝層厚度1.68 μm處實驗值和理論值曲線

圖3為實驗材料剝層厚度為1.68 μm處的少子壽命測量值隨溫度變化和各個機制下理論計算曲線。從80 K到280 K之間的溫度范圍內，輻射壽命和俄歇壽命都遠大于SRH壽命，因此，SRH壽命占主導地位。我們擬合獲得APD器件工作溫度80 K下SRH壽命大小為8664 ns。同樣的，對圖3中深度1~3 μm內的所有測試數據點都進行變溫少子壽命擬合，得到其80 K下都為SRH壽命占主導，且擬合獲得的SRH壽命的波動范圍為8212~8822 ns。由此，我們可以判斷采用此材料下的PIN結構成結工藝形成的雪崩Ⅰ區的SRH壽命平均值為8556 ns。

基于此SRH壽命值，我們代入APD器件的暗電流擬合模型，此模型在前期研究中已經被證實與實驗實測暗電流數據吻合度良好。經過模型擬合計算獲得如圖4的PIN結構HgCdTe APD器件的理論暗電流IV曲線，工作溫度為80 K，光敏元大小為20 μm×20 μm，其中Ⅰ區的SRH壽命值即為8556 ns。由前期研究表明，APD器件的暗電流在小偏壓下主要由SRH復合機制主導。圖中可以看到，小偏壓0~3 V下此材料能獲得的理論暗電流大小約為1×10?1? A。

圖4 基于8556 ns的Ⅰ區的APD暗電流擬合結果

進一步地，基于上述相同的研究方法，我們評估了多個材料的雪崩Ⅰ區的SRH壽命，如圖5所示。圖中可以看到，其范圍值約在8~20 μs之間，這個范圍值依然在我們原生N型HgCdTe材料的SRH壽命相當水平。相應的擬合小偏壓下的理論暗電流最佳值為3.5×10?1? A，換算暗電流密度為8.7×10?1? A/cm2，滿足高質量中波碲鎘汞雪崩器件的研制要求。當然，最終決定實際APD器件的暗電流的因素中材料質量是最基礎的，其他如PIN結的結構參數、器件工藝（包括鈍化，接觸等）都是十分重要的。

圖5 多個HgCdTe材料的雪崩Ⅰ區的SRH壽命測試結果

結論

通過對PIN結構雪崩Ⅰ區的材料少子壽命進行表征，評估獲得了關鍵雪崩區域的真實材料的晶體質量。研究發現，現有優化工藝下雪崩區域的晶體質量良好，擬合材料的SRH壽命最好能達到約20.7 μs，能達到原生材料SRH壽命的相當水平，理論最優的暗電流密度達到8.7×10?1? A/cm2，滿足高質量中波碲鎘汞雪崩器件的研制要求，為后續新型焦平面器件的研發提供基礎。

論文鏈接：

http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023164