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碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的Ⅰ區(qū)材料晶體質(zhì)量研究

常規(guī)的碲鎘的Ⅰ碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件一般采用non-p結(jié)構(gòu),其中最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)究雪崩Ⅰ區(qū)采用離子注入及推結(jié)退火的后成結(jié)工藝。這些工藝步驟將改變原生材料的雪崩性質(zhì),前期理論模擬研究表明,器件區(qū)材雪崩Ⅰ區(qū)的料晶量研質(zhì)量對APD器件的暗電流至關(guān)重要。因此,體質(zhì)對于雪崩Ⅰ區(qū)真實材料性能的碲鎘的Ⅰ研究將對后續(xù)APD器件的工藝優(yōu)化提供有效基礎(chǔ)支撐。

碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的Ⅰ區(qū)材料晶體質(zhì)量研究

據(jù)麥姆斯咨詢報道,結(jié)構(gòu)究近期,雪崩中科院上海技術(shù)物理研究所紅外材料與器件重點實驗室的器件區(qū)材科研團隊在《紅外與毫米波學報》期刊上發(fā)表了以“碲鎘汞PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的Ⅰ區(qū)材料晶體質(zhì)量研究”為主題的文章。該文章第一作者為沈川副研究員,料晶量研通訊作者為陳路研究員,體質(zhì)主要從事基于PIN結(jié)構(gòu)的碲鎘的Ⅰ碲鎘汞線性雪崩焦平面器件技術(shù)的研究工作。

本文通過單項實驗對比與分析,結(jié)構(gòu)究選取原生HgCdTe材料,雪崩對其進行PIN結(jié)構(gòu)雪崩器件的全過程工藝模擬,形成大面積的雪崩Ⅰ區(qū)。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(guān)鍵雪崩區(qū)域的真實材料晶體質(zhì)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(jīng)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(jié)構(gòu)的平面結(jié)雪崩器件。圖1為其器件結(jié)構(gòu)示意圖,其中N-區(qū)域即為由后成結(jié)工藝形成的雪崩Ⅰ區(qū)。

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圖1 HgCdTe APD的二維結(jié)構(gòu)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(jié)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(zhì)量性狀滿足并接近實際雪崩器件狀態(tài)。接著,通過常規(guī)的PIN成結(jié)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(jīng)過表面清洗、腐蝕、P型退火、阻擋層生長、離子注入以及推結(jié)退火等工藝過程。整個實驗過程幾乎完全模擬常規(guī)的器件工藝,以求能最大限度地模擬真實器件的Ⅰ區(qū),獲得最接近真實器件的Ⅰ區(qū)材料狀態(tài)。其中,唯一的區(qū)別為離子注入時是材料全面積的注入過程。

雪崩Ⅰ區(qū)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(qū)經(jīng)過Ⅰ區(qū),一直到達最后的P區(qū),覆蓋整個PIN雪崩結(jié)構(gòu),從而獲得了整個PIN結(jié)的材料霍爾濃度和少子壽命的分布情況。

結(jié)果分析

從前期的理論模擬以及暗電流研究可知,關(guān)鍵雪崩Ⅰ區(qū)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(qū)的輪廓參數(shù)和材料質(zhì)量性質(zhì)。因為是后成結(jié)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(qū)表征是考量后續(xù)工藝的關(guān)鍵因素。本文我們對Ⅰ區(qū)的材料質(zhì)量進行了定量化的研究。

圖2為整個PIN結(jié)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(jié)合PIN結(jié)構(gòu)的成結(jié)特性,可以分析獲得材料表層0~0.9 μm為N+區(qū)域,P區(qū)在深度8.5 μm以上,而我們最關(guān)鍵的雪崩Ⅰ區(qū)在0.9~8.5 μm之間。

由此,從圖中我們分析Ⅰ區(qū)的少子壽命可以看到,隨著深度的增加,Ⅰ區(qū)的少子壽命呈現(xiàn)先有一段穩(wěn)定區(qū)然后慢慢降低的過程。結(jié)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(nèi)部P區(qū)界面的距離小于穿透深度時,測試值會受到P區(qū)影響,造成測試獲得的少子壽命值偏小,從而呈現(xiàn)隨著深度下降的現(xiàn)象。而大于穿透深度時,因為未受到P區(qū)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(qū)內(nèi)材料的少子壽命值,其均值約6.6 μs。

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圖2 整個PIN結(jié)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(shù),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(chǎn)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(jié)合,產(chǎn)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(zhì)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(yīng)的SHR壽命,表征雪崩Ⅰ區(qū)的真實材料性能。

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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(nèi),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(nèi)的所有測試數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)成結(jié)工藝形成的雪崩Ⅰ區(qū)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(jīng)被證實與實驗實測暗電流數(shù)據(jù)吻合度良好。經(jīng)過模型擬合計算獲得如圖4的PIN結(jié)構(gòu)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(qū)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。

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圖4 基于8556 ns的Ⅰ區(qū)的APD暗電流擬合結(jié)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(qū)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(yīng)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(zhì)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(zhì)量是最基礎(chǔ)的,其他如PIN結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、器件工藝(包括鈍化,接觸等)都是十分重要的。

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圖5 多個HgCdTe材料的雪崩Ⅰ區(qū)的SRH壽命測試結(jié)果

結(jié)論

通過對PIN結(jié)構(gòu)雪崩Ⅰ區(qū)的材料少子壽命進行表征,評估獲得了關(guān)鍵雪崩區(qū)域的真實材料的晶體質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有優(yōu)化工藝下雪崩區(qū)域的晶體質(zhì)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(yōu)的暗電流密度達到8.7×10?1? A/cm2,滿足高質(zhì)量中波碲鎘汞雪崩器件的研制要求,為后續(xù)新型焦平面器件的研發(fā)提供基礎(chǔ)。

論文鏈接:

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



審核編輯:劉清

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