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(cè)器的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代，其標(biāo)準(zhǔn)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(guò)外延生長(zhǎng)更大規(guī)格的碲鎘汞材料來(lái)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(duì)碲鎘汞薄膜的表面缺陷進(jìn)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(guò)10 μm，與碲鎘汞材料的厚度相近，可達(dá)碲鋅鎘襯底界面處，對(duì)器件制備造成非常不利的影響。由于缺陷為坑狀，因此無(wú)法在缺陷處制備合格的鈍化層，導(dǎo)致后續(xù)工藝過(guò)程中試劑進(jìn)入貫穿型缺陷而對(duì)碲鎘汞材料造成較大損傷并出現(xiàn)多個(gè)盲元，最終影響器件的整體性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，華北光電技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)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(cè)器的SWaP3標(biāo)準(zhǔn)

本文對(duì)碲鎘汞貫穿型缺陷的形貌特征及成分構(gòu)成進(jìn)行研究，并通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)確定該類型缺陷起源于碲鋅鎘襯底缺陷。

實(shí)驗(yàn)

使用光學(xué)顯微鏡對(duì)碲鋅鎘襯底上的缺陷進(jìn)行觀察，并用光學(xué)顯微鏡對(duì)襯底進(jìn)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(jìn)行拍照。腐蝕前后的碲鋅鎘表面形成對(duì)比，同時(shí)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(zhǎng)一層碲鎘汞薄膜。生長(zhǎng)完成后對(duì)碲鎘汞外延層進(jìn)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(jìn)行對(duì)比，確定碲鎘汞表面缺陷是否由碲鋅鎘襯底缺陷延伸而來(lái)。

由于光學(xué)顯微鏡條件的限制，無(wú)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(duì)缺陷進(jìn)行觀察，并測(cè)量缺陷的深度。通過(guò)將該結(jié)果與碲鎘汞薄膜的厚度進(jìn)行對(duì)比，確定其是否為貫穿型缺陷。除此之外，使用FIB對(duì)已判定為貫穿型的缺陷進(jìn)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(shí)使用掃描電子顯微鏡（SEM）的能譜測(cè)試功能對(duì)缺陷底部成分進(jìn)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(guò)光學(xué)顯微鏡觀察呈黑色圓形，無(wú)法判定凹陷深度。進(jìn)行表面平坦化工藝后大部分缺陷會(huì)消失，但有部分缺陷保留。利用共聚焦顯微鏡對(duì)其進(jìn)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(guò)50倍放大的光學(xué)顯微鏡觀察碲鎘汞原生片（即未經(jīng)過(guò)表面平坦化處理的碲鎘汞外延片）表面，無(wú)法判斷貫穿型缺陷與可通過(guò)表面平坦化工藝去除的缺陷的差異（見(jiàn)圖2）。

圖2 碲鎘汞貫穿型缺陷

使用共聚焦顯微鏡對(duì)貫穿型缺陷進(jìn)行表征，測(cè)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(guò)35 μm；下部為筒形，寬度一般不超過(guò)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(guò)15 μm。該缺陷對(duì)后續(xù)器件工藝影響較大，會(huì)導(dǎo)致多個(gè)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(zhǔn)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(jiàn)圖4），以便進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(lái)源分析

以前的研究表明，由石墨舟掉落的微小碳顆粒會(huì)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(duì)貫穿型缺陷底部進(jìn)行能譜測(cè)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(guò)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(xiàn)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(cè)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(huì)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(zhǎng)碲鎘汞材料過(guò)程出現(xiàn)異常，成膜過(guò)程被打斷，產(chǎn)生孔洞，最終形成貫穿型缺陷。使用FIB對(duì)選中的貫穿型缺陷進(jìn)行挖孔，并直接對(duì)缺陷截面以及缺陷底部的碲鎘汞-碲鋅鎘界面層進(jìn)行觀察（結(jié)果見(jiàn)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(cè)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(guò)程中，襯底缺陷或襯底上方的雜質(zhì)顆粒會(huì)影響成膜過(guò)程，造成孔洞。但隨著外延進(jìn)行，母液會(huì)從孔洞中進(jìn)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(lái)，導(dǎo)致碲鎘汞液相外延成膜過(guò)程無(wú)法正常進(jìn)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(wú)法正常結(jié)晶生長(zhǎng)。

碲鋅鎘襯底缺陷對(duì)液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷的影響

為進(jìn)一步驗(yàn)證碲鋅鎘襯底缺陷對(duì)液相外延碲鎘汞貫穿型缺陷的影響，本次實(shí)驗(yàn)使用缺陷較多的碲鋅鎘襯底進(jìn)行外延，并且在碲鋅鎘襯底腐蝕后進(jìn)行拍照。通過(guò)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(jìn)行對(duì)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(jìn)行對(duì)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(duì)以上8個(gè)貫穿型缺陷的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理，發(fā)現(xiàn)貫穿型缺陷的寬度1一般超過(guò)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(guò)15 μm。將其與用傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）對(duì)碲鎘汞材料的厚度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(shuō)明碲鋅鎘缺陷會(huì)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(shí)驗(yàn)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(guò)腐蝕處理后會(huì)暴露在表面，因此在液相外延過(guò)程中適當(dāng)增加回熔時(shí)間，將襯底缺陷消除后再進(jìn)行碲鎘汞材料的外延生長(zhǎng)，從而減少該類型缺陷的出現(xiàn)。除此之外，通過(guò)進(jìn)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(yǔ)

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(guò)表面平坦化去除的缺陷無(wú)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行對(duì)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(lái)源。后續(xù)研究重點(diǎn)應(yīng)為碲鋅鎘晶體生長(zhǎng)改進(jìn)以及液相外延碲鎘汞質(zhì)量提升。

審核編輯：彭菁