基于VLPE技術(shù)的碲鎘汞p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)材料與器件研究進(jìn)展

碲鎘汞（HgCdTe，MCT）紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)包括本征汞空位摻雜n-on-p、非本征摻雜n-on-p、n-on-p臺(tái)面結(jié)器件、n?/p高密度垂直集成光電器件（HDVIP）、As離子注入p-on-n平面結(jié)、原位As摻雜p-on-n臺(tái)面結(jié)、非平衡全耗盡p-π(ν)-n以及nBn 器件等。典型的MCT紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)可以概括為n-on-p和p-on-n兩種類(lèi)型，如圖1所示。n-on-p器件結(jié)構(gòu)的低暗電流性能優(yōu)勢(shì)需要低濃度P型吸收層作為支撐，低濃度P型材料的穩(wěn)定可控制備一直是MCT材料研究中不變的主題。隨著紅外探測(cè)器向長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波、高工作溫度等方向發(fā)展，對(duì)器件暗電流提出了更高的要求，p-on-n型器件由于其在工程實(shí)現(xiàn)上的性能優(yōu)勢(shì)已成為重要的技術(shù)路線。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，昆明物理研究所科研團(tuán)隊(duì)分析了p-on-n器件幾種制備方式的優(yōu)劣，報(bào)道了基于VLPE技術(shù)的p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)器件（DLHJ）在材料生長(zhǎng)、器件工藝和器件性能方面的研究進(jìn)展。重點(diǎn)分析了p-on-n DLHJ器件的國(guó)內(nèi)外差距以及制約該技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，并提出了解決思路，最后對(duì)基于VLPE技術(shù)的p-on-n DLHJ器件的發(fā)展進(jìn)行了展望。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“基于VLPE技術(shù)的碲鎘汞p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)材料與器件研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《紅外技術(shù)》期刊上。

p-on-n器件制備方式對(duì)比分析

影響p-on-n型器件性能的因素主要有：①N型吸收層的材料質(zhì)量；②P型cap層的組分，以及同N型吸收層之間的界面狀態(tài)。N型吸收層材料質(zhì)量直接決定了輻射吸收和器件性能；寬帶隙cap層形成的組分梯度有利于抑制熱激發(fā)，降低耗盡區(qū)漏電流，同時(shí)近表面低阻區(qū)形成理想的金屬接觸。p-on-n器件的幾種制備方式如圖2所示。

圖2(a)所示為基于As離子注入的p-on-n平面結(jié)器件，圖2(b)所示為基于MBE技術(shù)的p-on-n臺(tái)面結(jié)器件，圖2(c)所示為基于MOVPE技術(shù)的p-on-n臺(tái)面結(jié)器件，圖2(d)所示為基于VLPE技術(shù)的p-on-n雙層異質(zhì)臺(tái)面結(jié)器件。

基于VLPE技術(shù)，N型MCT吸收層可采用LPE或VLPE原位摻In生長(zhǎng)，P型cap層采用VLPE原位摻As生長(zhǎng)，經(jīng)臺(tái)面刻蝕、表面/側(cè)壁鈍化、電極開(kāi)孔、金屬電極沉積和倒裝互連等工藝完成紅外焦平面器件制備。相比基于As離子注入的p-on-n平面結(jié)器件，一方面避免了離子注入引入的損傷，理論上可減少界面缺陷密度，從而抑制產(chǎn)生復(fù)合電流以及缺陷輔助隧穿電流；表面高組分層有利于進(jìn)一步抑制表面漏電流、耗盡區(qū)產(chǎn)生的復(fù)合電流和隧穿電流；同時(shí)，極大地簡(jiǎn)化了器件制備的工藝流程，規(guī)避了離子注入、激活退火、損傷修復(fù)等過(guò)程。與基于MBE和MOVPE技術(shù)制備的p-on-n異質(zhì)結(jié)器件相比，在獲得更高的As激活率的同時(shí)減少了高溫激活退火過(guò)程，有利于獲得晶體質(zhì)量更優(yōu)越的材料。綜合以上分析，基于原位As摻雜與激活的VLPE技術(shù)制備p-on-n臺(tái)面結(jié)器件有望在更簡(jiǎn)單的器件制備工藝下實(shí)現(xiàn)更低暗電流，為高性能HOT、長(zhǎng)波以及甚長(zhǎng)波MCT紅外焦平面器件的研制提供技術(shù)方向。

基于VLPE技術(shù)的p-on-n DLHJ技術(shù)研究進(jìn)展

材料生長(zhǎng)

材料的厚度和組分均勻性、晶體質(zhì)量、組分梯度的構(gòu)建以及摻雜濃度的有效控制是實(shí)現(xiàn)高性能p-on-n DLHJ器件的基礎(chǔ)，從前文分析可知，VLPE技術(shù)具有高晶體質(zhì)量以及原位As摻雜與激活等優(yōu)勢(shì)，是制備p-on-n DLHJ器件重要技術(shù)。圖3為Raytheon公司DLHJ器件結(jié)構(gòu)和摻雜元素分布以及材料均勻性。

表面缺陷也是影響MCT紅外焦平面器件性能的重要因素。Raytheon通過(guò)優(yōu)化Cd飽和度實(shí)現(xiàn)了較好的表面缺陷抑制。圖4為Cd飽和度對(duì)VLPE MCT材料表面缺陷的影響。

組分梯度的構(gòu)建是p-on-n DLHJ器件實(shí)現(xiàn)漏電流抑制的關(guān)鍵。BAE在文獻(xiàn)中多次報(bào)道了組分梯度與價(jià)帶勢(shì)壘和器件量子效率的關(guān)系。研究表明，組分梯度調(diào)控是消除價(jià)帶勢(shì)壘進(jìn)而提高量子效率的關(guān)鍵。圖5為BAE公司p-on-n DLHJ器件結(jié)構(gòu)示意圖和摻雜濃度分布。

p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)材料的界面缺陷對(duì)器件缺陷輔助隧穿電流、產(chǎn)生復(fù)合電流、響應(yīng)均勻性等關(guān)鍵性能有重要影響。BAE建立了器件漏電流與生長(zhǎng)過(guò)程中引入的C顆粒之間的關(guān)系。圖6為對(duì)p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)材料pn結(jié)界面處C顆粒對(duì)器件性能影響，C顆粒位置與輸出電壓異常點(diǎn)具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

器件工藝

臺(tái)面刻蝕和表面/側(cè)壁鈍化是p-on-n臺(tái)面結(jié)器件的關(guān)鍵制備工藝。臺(tái)面刻蝕實(shí)現(xiàn)像元隔離形成焦平面陣列，制備工藝包括干法刻蝕、濕法腐蝕、干法刻蝕與濕法腐蝕相結(jié)合等方法，各研究機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)期的工藝探索中形成了獨(dú)具特色的工藝路線，但都在圍繞高深寬比、低損傷等目標(biāo)展開(kāi)。表面/側(cè)壁鈍化則實(shí)現(xiàn)表面漏電的抑制，制備工藝包括熱壁外延（HWE）、MBE、磁控濺射（MS）、熱蒸發(fā)（TE）等。

Raytheon采用濕法腐蝕和等離子體耦合（ICP）干法刻蝕相結(jié)合制備臺(tái)面，圖7為美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室和Raytheon公司制備的臺(tái)面隔離結(jié)構(gòu)。BAE則采用無(wú)損傷濕法腐蝕制備臺(tái)面結(jié)構(gòu)，MBE技術(shù)沉積CdTe鈍化層，圖8為BAE公司采用無(wú)損傷濕法腐蝕制備的臺(tái)面結(jié)構(gòu)和MBE技術(shù)制備的CdTe鈍化層側(cè)壁SEM形貌圖。

器件性能

材料生長(zhǎng)和器件制備工藝是實(shí)現(xiàn)p-on-n DLHJ器件的基礎(chǔ)，器件性能則是檢驗(yàn)材料生長(zhǎng)和器件工藝的最終標(biāo)準(zhǔn)。品質(zhì)因子R?A和量子效率（QE）是衡量器件性能的兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。R?A為器件零偏電阻R?和結(jié)面積A的乘積，消除了結(jié)面積A的影響，能夠很好地表征紅外探測(cè)器的品質(zhì)。QE為某一特定波長(zhǎng)下單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的平均光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比，是描述光電轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)重要參數(shù)。

Raytheon基于VLPE技術(shù)制備的p-on-n DLHJ器件，圖9為Raytheon公司基于VLPE技術(shù)制備的p-on-n DLHJ器件性能及應(yīng)用組件。BAE基于LPE和VLPE制備的p-on-n DLHJ器件，圖10為BAE基于LPE和VLPE技術(shù)發(fā)展的DLHJ器件性能及其所應(yīng)用的組件。

相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)VLPE技術(shù)起步較晚，發(fā)展緩慢。華北光電技術(shù)研究所（NCRIEO）在2018年報(bào)道了基于VLPE技術(shù)的p-on-n長(zhǎng)波雙層異質(zhì)結(jié)材料生長(zhǎng)與器件制備，實(shí)現(xiàn)了器件研制，但尚未產(chǎn)品化，主要存在臺(tái)面器件工藝不成熟、臺(tái)面刻蝕與表面鈍化引起的漏電較大等問(wèn)題。昆明物理研究所開(kāi)展了VLPE單層MCT材料表面缺陷抑制、均勻性提升及原位As摻雜等研究，實(shí)現(xiàn)了p-on-n雙層異質(zhì)材料的制備，但尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的工程化研制。

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)p-on-n DLHJ器件的產(chǎn)品化，國(guó)內(nèi)尚處于研制階段，初步實(shí)現(xiàn)了p-on-n DLHJ材料的生長(zhǎng)與器件研制，對(duì)于Cd組分梯度的調(diào)控、摻雜元素?cái)U(kuò)散還鮮有研究，臺(tái)面刻蝕、表面鈍化等關(guān)鍵工藝尚未成熟。

基于VLPE技術(shù)的p-on-n DLHJ器件性能優(yōu)勢(shì)與技術(shù)難點(diǎn)

圖11為MCT紅外焦平面器件幾種器件結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比。從圖中可以看出，國(guó)外技術(shù)路線包括主要為以美國(guó)Raytheon為代表的基于VLPE技術(shù)p-on-n DLHJ器件和以法國(guó)DEFIR為代表的本征汞空位摻雜和非本征摻雜n-on-p器件，國(guó)內(nèi)則主要發(fā)展了基于LPE技術(shù)的本征汞空位摻雜和非本征Au摻雜n-on-p器件以及As離子注入p-on-n器件。

綜合以上分析，基于VLPE技術(shù)的p-on-n DLHJ器件在對(duì)暗電流要求較高的長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器方面具有一定的性能優(yōu)勢(shì)，是高性能紅外探測(cè)器的重要發(fā)展方向。但目前國(guó)內(nèi)尚未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，限制器件性能的關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)主要有以下幾方面：

1）cap層組分梯度構(gòu)建。cap層組分梯度的構(gòu)建是p-on-n DLHJ器件實(shí)現(xiàn)表面漏電抑制的關(guān)鍵，如前文所述（圖4），需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域的組分梯度構(gòu)建：近界面組分突變陡增區(qū)和近表面組分遞減區(qū)。

2）界面控制。p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)材料涉及Cd、In、As三種元素的擴(kuò)散遷移控制，Cd元素的擴(kuò)散是構(gòu)建cap層兩個(gè)組分梯度區(qū)的關(guān)鍵，As元素和In元素的擴(kuò)散則影響pn結(jié)的位置。

3）器件臺(tái)面刻蝕與表面鈍化。p-on-n DLHJ器件的臺(tái)面刻蝕與側(cè)壁鈍化是發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵制備工藝，臺(tái)面刻蝕引入的損傷、鈍化膜質(zhì)量的好壞都會(huì)影響器件的最終性能。

綜上，在傳統(tǒng)n-on-p標(biāo)準(zhǔn)工藝基礎(chǔ)上，針對(duì)材料生長(zhǎng)與器件制備的關(guān)鍵工藝進(jìn)行研究，探究成熟穩(wěn)定的p-on-n制備工藝，提高其可靠性、重復(fù)性及技術(shù)成熟度，是實(shí)現(xiàn)高性能p-on-n DLHJ器件產(chǎn)品化的重要一環(huán)。

結(jié)論與展望

MCT是新一代高性能紅外探測(cè)器的首選材料，暗電流降低是紅外焦平面器件性能提升的重要方向。p-on-n型器件是降低器件暗電流的重要發(fā)展方向，在p-on-n器件的幾種制備方式中，基于VLPE技術(shù)的p-on-n DLHJ器件采用原位生長(zhǎng)成結(jié)，避免了離子注入損傷，實(shí)現(xiàn)了原位As摻雜與高激活率的同時(shí)，可獲得較高晶體質(zhì)量，表面高組分層可有效降低近漏電流，是高性能紅外探測(cè)器的重要發(fā)展方向，有望成為長(zhǎng)波/甚長(zhǎng)波以及HOT器件的支撐技術(shù)。

然而，目前p-on-n DLHJ器件國(guó)內(nèi)外發(fā)展仍存在一定差距，為實(shí)現(xiàn)器件的產(chǎn)品化研制與工程化應(yīng)用，亟需解決的問(wèn)題包括：1）突破VLPE生長(zhǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低缺陷密度、高均勻性原位As摻雜cap層材料的生長(zhǎng)和組分梯度構(gòu)建；2）研究p-on-n DLHJ器件界面控制技術(shù)，兼顧暗電流與量子效率兩個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)；3）研究低損傷、高深寬比臺(tái)面刻蝕技術(shù)，降低刻蝕損傷，減小表面漏電；4）提升鈍化層質(zhì)量，減小側(cè)壁鈍化表面漏電；5）在傳統(tǒng)的成熟n-on-p器件制備工藝上探索一套適用于p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)臺(tái)面器件的工藝，充分發(fā)揮p-on-n雙層異質(zhì)結(jié)臺(tái)面器件的工藝簡(jiǎn)化和低暗電流優(yōu)勢(shì)。

論文信息：

http://hwjs.nvir.cn/article/id/c1af70e9-c67d-42df-907f-303188fd7512

審核編輯：劉清