碲鎘汞材料具有截止波長在紅外波段內可調節、光學吸收系數高、量子效率高等特點，是重要的紅外探測器應用材料之一。近年來分子束外延生長碲鎘汞技術的快速發展，使用分子束外延制備高性能、多色紅外焦平面列陣探測器引起了人們的廣泛關注。為了滿足高性能、雙多色紅外焦平面器件制備的要求，需要對碲鎘汞p型摻雜與激活進行專項研究。使用分子束外延方法直接在碲鎘汞工藝中進行摻雜，As很難占據Te位，一般作為間隙原子或者占據金屬位，因此原生的碲鎘汞常表現為n型導電。只有經過高溫激活，將As原子激活至非金屬位（Te原子位置），才能起到受主的作用，使碲鎘汞材料表現為p型導電。

據麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術研究所和重慶嘉陵華光光電科技有限公司的科研團隊在《激光與紅外》期刊上發表了以“分子束外延HgTe/CdTe超晶格工藝研究”為主題的文章。該文章第一作者為高達。

本文報道了分子束外延生長HgTe/CdTe超晶格結構相關技術。采用HgTe/CdTe超晶格結構進行As摻雜是降低As摻雜元素激活溫度的技術路徑之一。

實驗方案

傳統的As摻雜激活方式為采用350℃以上的高溫、在汞飽和條件下對碲鎘汞材料進行退火，易引起碲鎘汞表面狀態惡化，從而影響后續器件性能；其次，高溫退火會引起材料內原子劇烈的互擴散，使具有復雜結構設計的多層異質外延碲鎘汞材料失效。如圖1所示，原位摻雜的異質結結構p-on-n材料在經過400℃ 1小時激活退火后，異質結結構發生明顯的互擴散，異質結結構對碲鎘汞探測器性能提升的作用勢必降低。在雙色的nPn結構中，這種高溫激活引起的互擴散將導致串音等問題。因此如何在更低溫度下激活AS摻雜的碲鎘汞材料是碲鎘汞材料技術領域研究的熱點之一。

圖1 SIMS表征退火前后碲鎘汞組分分布

使用HgTe/CdTe超晶格結構進行As摻雜是降低As摻雜元素激活溫度的技術路徑之一。傳統的使用分子束外延方式直接在碲鎘汞工藝中進行As摻雜，As占據Hg位從而使材料呈n型，需要對材料進行高溫（350℃以上）熱處理將As激活至Te位從而使碲鎘汞材料呈p型，本文采用的HgTe/CdTe超晶格結構材料在CdTe層間開啟As束流與Hg束流進行摻雜，保證As直接與Hg結合占據Te位，使材料呈p型。降低As摻雜激活需要的溫度。但是由于HgTe、CdTe兩種材料生長條件有較大的差異，本文將開發合適的生長工藝參數完成HgTe/CdTe超晶格材料生長，并實現As摻雜材料在低溫下的激活。

結構設計

具有HgTe/CdTe超晶格結構As摻雜碲鎘汞材料的結構如圖2所示，在襯底上首先生長原位In摻雜的n型碲鎘汞材料作為吸收層，再生長同組分的非摻雜阻擋層盡可能抑制摻雜元素互擴散，再生長超晶格結構，同時進行原位As摻雜，最后依次生長非摻雜碲鎘汞層和碲化鎘鈍化層。

圖2 原位摻雜HgTe/CdTe超晶格結構

為了表征HgTe/CdTe超晶格結構生長參數控制精度、HgTe/CdTe超晶格結構原位摻雜及低溫激活效果，本文研究了在硅基復合襯底上直接進行HgTe/CdTe超晶格的材料工藝。設計硅基HgTe/CdTe超晶格材料的結構如圖3所示，在硅基復合襯底上直接生長HgTe/CdTe超晶格材料。其中CdTe層4 nm，HgTe層６ｎｍ，在CdTe層生長中間摻雜一原子單層的As元素。總共生長300個周期。

圖3 硅基HgTe/CdTe超晶格結構

溫度控制

溫度控制是硅基復合襯底上分子束外延碲鎘汞超晶格材料的難點之一：1.隨著碲鎘汞材料生長，材料吸熱系數增加，需要實時調整設定溫度保證碲鎘汞外延溫度穩定；2.碲鎘汞材料對溫度較為敏感，±2℃以上的溫度偏差即對材料質量造成影響。因此，我們主要用紅外測溫儀（測溫范圍為100～300℃）實時監控襯底溫度，利用銦（熔點156℃）校準紅外測溫儀，保證超晶格材料生長溫度控制的穩定性。

HgTe/CdTe超晶格工藝參數設計

分子束外延HgTe/CdTe超晶格材料工藝中，HgTe、CdTe超晶格兩種材料最優的生長溫度相差100℃之上，且每一層材料生長時間只有幾十秒，材料生長溫度無法快速調整。因此需要生長參數平衡點來保證HgTe、CdTe兩種材料均能獲得較高的晶體質量。我們采用的工藝方案是生長溫度采用適合HgTe材料生長的溫度，用降低生長速率的方式提高低溫下CdTe材料的生長質量。

實驗結果及分析

采用X射線雙晶搖擺曲線表征HgTe/CdTe超晶格材料晶體質量。衍射圖像顯示有兩個峰，位于-227″處的峰值強度較低，為CdTe復合襯底材料衍射曲線。另一個峰位于－2″，為HgTe/CdTe超晶格材料衍射曲線，雙晶衍射半峰寬為155″。這表明超晶格質量良好，與在硅基復合襯底上外延的同厚度的碲鎘汞材料雙晶衍射半峰寬相當。

圖4 HgTe/CdTe超晶格結構XRD衍射圖像

采用透射電鏡表征HgTe/CdTe超晶格材料結構。如圖5所示，4 nm CdTe/6 nm HgTe超晶格結構在透射電鏡下清晰可見，材料參數控制精確。使用FTIR表征碲鎘汞紅外透過曲線，原生片表現為在長波波段出現吸收，這是因為HgTe、CdTe界面不陡峭，有少量互擴散產生。250℃ 72h汞飽和退火后，超晶格結構充分擴散，得到的碲鎘汞材料組分為0.3834，厚度為2.9μｍ。與超晶格材料參數設計值相當，表明材料參數控制良好。

圖5 HgTe/CdTe樣品TEM圖像

圖6 HgTe/CdTe樣品紅外透過曲線圖像

使用Hall測試250℃ 72h汞飽和退火后的超晶格結構材料，測試結果顯示77 K下材料呈p型，p型濃度2.67×101?cm?3，遷移率73.3 cm2/Vs。退火過程中采用汞飽和的退火條件，排除汞空位引起的p型，說明As摻雜超晶格結構的p型由As元素引起。表明摻雜的As元素在250℃即被激活，HgTe/CdTe超晶格材料As摻雜工藝達到設計目的。

圖7使用SIMS表征了HgTe/CdTe超晶格材料As摻雜濃度，摻雜濃度約為3×101? cm?3，比Hall測試得到的p型濃度高出一個量級，導致這個問題原因可能是：部分As元素仍然處在間隙位、汞飽和退火后材料中施主對材料Hall測試結果產生影響。

圖7 SIMS表征HgTe/CdTe超晶格結構As濃度

結論

本文報道了在硅基復合襯底上分子束外延HgTe/CdTe超晶格結構材料工藝研究。成功開發了在硅基復合襯底上外延HgTe/CdTe超晶格結構材料的工藝，材料質量良好，材料參數達到預期水平。使用Hall測試250℃ 72 h汞飽和退火后的超晶格結構材料，測試結果顯示77 K下材料呈p型，p型濃度2.67×101?cm?3，遷移率73.3 cm2/Vs。摻雜的As元素在250℃即被激活，HgTe/CdTe超晶格材料As摻雜工藝達到設計目的。

審核編輯：彭菁