碲鎘汞貫穿型缺陷的形貌特征及成分構(gòu)成研究

第三代紅外探測器的概念出現(xiàn)在20世紀90年代，其標準可以歸納為SWaP3，即更小尺寸、更低重量以及更高性能、更小功率、更低成本，如圖1所示。一方面可通過外延生長更大規(guī)格的碲鎘汞材料來滿足要求，另一方面需要控制材料表面的缺陷密度，減少由缺陷導(dǎo)致的碲鎘汞外延片可用面積損失。研究人員已經(jīng)對碲鎘汞薄膜的表面缺陷進行了大量研究。液相外延碲鎘汞材料表面出現(xiàn)的貫穿型缺陷深度超過10 μm，與碲鎘汞材料的厚度相近，可達碲鋅鎘襯底界面處，對器件制備造成非常不利的影響。由于缺陷為坑狀，因此無法在缺陷處制備合格的鈍化層，導(dǎo)致后續(xù)工藝過程中試劑進入貫穿型缺陷而對碲鎘汞材料造成較大損傷并出現(xiàn)多個盲元，最終影響器件的整體性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，華北光電技術(shù)研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發(fā)表了以“液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷研究”為主題的文章。該文章第一作者為胡易林助理工程師，主要從事液相外延碲鎘汞薄膜材料方面的研究。

圖1 第三代紅外探測器的SWaP3標準

本文對碲鎘汞貫穿型缺陷的形貌特征及成分構(gòu)成進行研究，并通過設(shè)計實驗確定該類型缺陷起源于碲鋅鎘襯底缺陷。

實驗

使用光學(xué)顯微鏡對碲鋅鎘襯底上的缺陷進行觀察，并用光學(xué)顯微鏡對襯底進行拍照，確定襯底缺陷的位置。隨后將襯底放在一定濃度的溴甲醇溶液中浸泡5～10 S，去除襯底表面的氧化層。將腐蝕后的碲鋅鎘襯底再次進行拍照。腐蝕前后的碲鋅鎘表面形成對比，同時腐蝕后襯底缺陷更清晰，數(shù)量也有所增加。使用液相外延爐在碲鋅鎘襯底上外延生長一層碲鎘汞薄膜。生長完成后對碲鎘汞外延層進行拍照，觀察碲鎘汞表面的缺陷情況，并將其與外延前的襯底圖像進行對比，確定碲鎘汞表面缺陷是否由碲鋅鎘襯底缺陷延伸而來。

由于光學(xué)顯微鏡條件的限制，無法確定液相外延碲鎘汞薄膜表面缺陷的具體深度。因此選用共聚焦顯微鏡在1000倍下對缺陷進行觀察，并測量缺陷的深度。通過將該結(jié)果與碲鎘汞薄膜的厚度進行對比，確定其是否為貫穿型缺陷。除此之外，使用FIB對已判定為貫穿型的缺陷進行挖孔，觀察缺陷的截面形貌，判斷碲鎘汞外延層以及碲鋅鎘襯底是否存在異常。同時使用掃描電子顯微鏡（SEM）的能譜測試功能對缺陷底部成分進行表征。

結(jié)果與討論

碲鎘汞貫穿型缺陷的形貌特征

碲鎘汞外延膜表面的部分缺陷通過光學(xué)顯微鏡觀察呈黑色圓形，無法判定凹陷深度。進行表面平坦化工藝后大部分缺陷會消失，但有部分缺陷保留。利用共聚焦顯微鏡對其進行表征。結(jié)果表明，缺陷深度與碲鎘汞材料厚度相近，因此它們是貫穿型缺陷。通過50倍放大的光學(xué)顯微鏡觀察碲鎘汞原生片（即未經(jīng)過表面平坦化處理的碲鎘汞外延片）表面，無法判斷貫穿型缺陷與可通過表面平坦化工藝去除的缺陷的差異（見圖2）。

圖2 碲鎘汞貫穿型缺陷

使用共聚焦顯微鏡對貫穿型缺陷進行表征，測得的貫穿型缺陷截面類似，如圖3所示。缺陷上部為向內(nèi)凹陷的坡形，寬度一般超過35 μm；下部為筒形，寬度一般不超過20 μm，筒壁近似于垂直；缺陷底部向上有輕微突出或有小起伏，深度一般超過15 μm。該缺陷對后續(xù)器件工藝影響較大，會導(dǎo)致多個盲元的形成。

圖3 使用共聚焦顯微鏡得到的貫穿型缺陷截面圖

為更準確、更清晰地記錄貫穿型缺陷數(shù)據(jù)，根據(jù)缺陷的特征將其參數(shù)歸納為寬度1、2以及深度1、2（見圖4），以便進行數(shù)據(jù)對比。

圖4 貫穿型缺陷示意圖

液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷的來源分析

以前的研究表明，由石墨舟掉落的微小碳顆粒會造成“火山口”型缺陷。雖然其特征與本文研究的貫穿型缺陷有較為明顯的區(qū)別，但缺陷底部成分分析方法仍可應(yīng)用于本研究。使用SEM對貫穿型缺陷底部進行能譜測試。結(jié)果表明，其主要成分為碲、鎘、汞，并發(fā)現(xiàn)硅元素，如圖5所示。硅元素可能是去除碲鎘汞材料過程中磨拋料的殘留。本研究未發(fā)現(xiàn)貫穿型缺陷的起源與文獻中提到的碳顆粒有關(guān)。

圖5 貫穿型缺陷底部的形貌圖及能譜測試結(jié)果

由于液相外延技術(shù)的特性，碲鋅鎘襯底的缺陷延伸會導(dǎo)致碲鎘汞外延膜上出現(xiàn)缺陷，因此貫穿型缺陷與襯底缺陷之間可能存在聯(lián)系?？赡苡捎谝r底缺陷導(dǎo)致液相外延生長碲鎘汞材料過程出現(xiàn)異常，成膜過程被打斷，產(chǎn)生孔洞，最終形成貫穿型缺陷。使用FIB對選中的貫穿型缺陷進行挖孔，并直接對缺陷截面以及缺陷底部的碲鎘汞-碲鋅鎘界面層進行觀察（結(jié)果見圖6）。

圖6 使用FIB挖孔得到的貫穿型缺陷截面圖

從圖6中可以看出，缺陷底部并非如共聚焦顯微鏡測試結(jié)果所示的直上直下，最底部較寬，往上有所收縮，變成圓筒形。有研究表明，在液相外延過程中，襯底缺陷或襯底上方的雜質(zhì)顆粒會影響成膜過程，造成孔洞。但隨著外延進行，母液會從孔洞中進入，覆蓋在缺陷底部，形成材料橋，從而可以解釋貫穿型缺陷底部成分為碲鎘汞。從圖6中還可以看出，碲鎘汞-碲鋅鎘界面層之間存在異常，并且此現(xiàn)象從碲鋅鎘襯底上延伸而來，導(dǎo)致碲鎘汞液相外延成膜過程無法正常進行。這證明該貫穿型缺陷的產(chǎn)生原因是碲鋅鎘襯底上的缺陷造成碲鎘汞材料無法正常結(jié)晶生長。

碲鋅鎘襯底缺陷對液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷的影響

為進一步驗證碲鋅鎘襯底缺陷對液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷的影響，本次實驗使用缺陷較多的碲鋅鎘襯底進行外延，并且在碲鋅鎘襯底腐蝕后進行拍照。通過溴甲醇腐蝕可以有效去除碲鋅鎘表面的氧化層，使襯底缺陷暴露更清晰。使用共聚焦顯微鏡確定碲鎘汞外延膜表面貫穿型缺陷的位置，并將腐蝕后的碲鋅鎘襯底圖像與外延后的碲鎘汞薄膜圖像進行對比。圖7中缺陷1～8均為貫穿型缺陷，并且均可以與襯底缺陷進行對應(yīng)。

圖7 （a）腐蝕后的碲鋅鎘襯底表面；（b）外延后的碲鎘汞薄膜表面；（c）腐蝕后的碲鋅鎘襯底表面；（d）外延后的碲鎘汞薄膜表面

對以上8個貫穿型缺陷的測試結(jié)果進行整理，發(fā)現(xiàn)貫穿型缺陷的寬度1一般超過35 μm，寬度2比寬度1縮小一半以上，一般為5～15 μm。貫穿型缺陷的深度2一般超過15 μm。將其與用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對碲鎘汞材料的厚度測試結(jié)果進行對比?？梢园l(fā)現(xiàn)，以上貫穿型缺陷的底部基本接近襯底表面，說明碲鋅鎘缺陷會導(dǎo)致液相外延碲鎘汞薄膜表面出現(xiàn)貫穿型缺陷。

根據(jù)實驗結(jié)果，使用缺陷更少的碲鋅鎘襯底外延可以有效地減少此類缺陷出現(xiàn)。由于導(dǎo)致碲鎘汞貫穿型缺陷的碲鋅鎘襯底缺陷在經(jīng)過腐蝕處理后會暴露在表面，因此在液相外延過程中適當(dāng)增加回熔時間，將襯底缺陷消除后再進行碲鎘汞材料的外延生長，從而減少該類型缺陷的出現(xiàn)。除此之外，通過進一步提高碲鋅鎘晶體的質(zhì)量也可以有效提高碲鎘汞外延薄膜的質(zhì)量。

結(jié)束語

液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷呈黑色圓形，在低倍數(shù)光學(xué)顯微鏡下，與可通過表面平坦化去除的缺陷無法有效區(qū)分。貫穿型缺陷上部為向內(nèi)凹陷的坡形，中部收縮變小為圓筒形，筒壁近似于垂直，底部向上有輕微突出或有小起伏。實驗結(jié)果表明，碲鎘汞外延膜的貫穿型缺陷可與碲鋅鎘襯底缺陷進行對應(yīng)；使用FIB挖孔后觀察，碲鋅鎘襯底存在異常，表明碲鋅鎘襯底上的缺陷為液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷的重要來源。后續(xù)研究重點應(yīng)為碲鋅鎘晶體生長改進以及液相外延碲鎘汞質(zhì)量提升。

審核編輯：彭菁