碲鎘汞（MCT）材料的表面鈍化是紅外探測器制備中的關鍵工藝之一。高性能MCT器件需要穩定且可重復生產的鈍化表面和符合器件性能要求的界面。因此，探究MCT表面鈍化技術具有重要意義。國際上，MCT鈍化技術包括磁控濺射、熱蒸發、原子層沉積以及MBE等。

據麥姆斯咨詢報道，近期，華北光電技術研究所的科研團隊在《紅外》期刊上發表了以“硅基碲鎘汞紅外探測器表面鈍化研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為戴永喜工程師，主要從事紅外探測器芯片的研究工作。

本文通過對硅基MCT紅外探測器的鈍化進行初步研究，對比了MBE鈍化與磁控常規鈍化的膜層狀態以及后續的電流-電壓（Ⅰ-Ⅴ）曲線特征，最終發現MBE原位鈍化技術可極大減少MCT的表面復合，提高Ⅰ-Ⅴ曲線的反向平坦區，進而得到更穩定的MCT紅外探測器。

實驗步驟

樣品制備

利用MBE生長系統在CdTe/Si復合襯底上制備MCT。采用發射式高能電子衍射儀和紅外高溫計原位監控生長過程，主要監控外延的表面狀態與表面溫度。

用相同方法制備兩個3 in硅基外延MCT樣品A與B。

表征測試

在樣品A的MCT材料生長后，直接在MBE設備內對其進行原位鈍化，外延一層厚度約為200 nm的CdTe。然后將樣品A利用磁控濺射設備生長一層厚度約為200 nm的ZnS。

在樣品B的MCT材料制備好以后，利用磁控濺射設備生長雙層復合鈍化膜層CdTe/ZnS（厚度分別為100 nm和200 nm）。

用封閉石英管對鈍化后的樣品A與樣品B進行熱處理。利用橢偏儀測試樣品的膜層厚度與折射率。使用聚焦離子束（FIB）技術處理樣品A與B，獲得平整清晰的橫截面。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測鈍化層表面及其橫截面形貌。然后進行紅外探測器加工，最終制備圖1所示的器件結構。利用美國Keithley公司生產的4200-SCS系統進行Ⅰ-Ⅴ特性測試。

圖1 器件結構圖

結果與討論

鈍化膜層的折射率分析

準備兩片晶向為［110］的雙面拋光硅片，分別通過MBE和磁控濺射生長厚度均為200 nm的CdTe。膜層生長完成后，利用法國SOPRA公司生產的光譜式橢偏儀完成了表1所示的膜層厚度與折射率表征。

一般來講，折射率可以表征鈍化膜層的致密性。用橢偏儀表征膜層的厚度與折射率。從表1中可以看出，MBE生長的CdTe膜層的折射率為3.02，大于磁控濺射生長的鈍化膜層的折射率。也就是說，在一定條件下，MBE原位鈍化生長的CdTe 比磁控濺射生長的CdTe致密。以前曾有文獻報道過此結果。

表1 MBE和磁控濺射生長的CdTe的膜層厚度與折射率

鈍化表面及其橫截面形貌

本次實驗選取兩片短波硅基材料。其中一片用MBE法進行原位鈍化，生長厚度為200 nm的CdTe膜層；另一片用磁控濺射法進行鈍化，生長厚度為100 nm的CdTe膜層。圖2所示為用SEM觀察MBE鈍化表面及其橫截面形貌的結果。圖３所示為用SEM觀察磁控濺射鈍化的結果。

圖2 通過MBE法原位鈍化的CdTe的SEM圖

圖3 通過磁控濺射法鈍化的CdTe的SEM圖

通過對比圖２與圖３可以看出，MBE原位鈍化的CdTe呈較致密細致的單晶態，原位鈍化的CdTe表面形貌較好，缺陷孔洞較少。由圖2（b）可以發現，CdTe在生長過程中形成了晶粒，因此用SEM觀察時其表面有細小的晶粒物質。另外，該表面出現相同方向的生長波紋，這是由MBE生長中的［211］晶向到碲化鎘生長時發生偏轉導致的。

磁控濺射鈍化的CdTe表面形貌較差。圖3（b）中出現了大量的不規則孔洞。它們可能是生長過程中原子團簇沉積到襯底上，經過后退火形成的缺陷孔洞。

圖4是MBE原位鈍化的器件橫截面的SEM圖。圖5是磁控濺射鈍化的器件橫截面的SEM圖。通過對比兩者可以看出，用SEM觀察截面時，MBE原位鈍化的CdTe孔洞較小、數量也較少。磁控濺射鈍化的CdTe孔洞較大且數量也較多。這些孔洞大多來源于生長過程中的缺陷。有些孔洞甚至直接貫穿整個鈍化層。這些較大的孔洞對探測器流片過程中的接觸孔腐蝕等其他工藝是否會產生進一步影響，需要我們進一步去研究。

圖4 MBE原位鈍化的FIB截面的SEM圖

圖5 磁控濺射鈍化的FIB截面的SEM圖

從鈍化層與MCT接觸的分層來看，MBE原位鈍化的分層更明顯。兩種不同鈍化條件的芯片的熱處理條件是相同的。原位鈍化MCT和碲化鎘之間主要依靠的是化學鍵作用，退火時310℃的溫度不足以造成Te-Cd斷裂，僅存在Hg交換，所以退火后界面沒有形成較好的“互擴散層”。磁控濺射鈍化的CdTe與MCT在經過310℃熱處理后形成了較好的“互擴散層”。

不同鈍化技術下的Ⅰ-Ⅴ性能

在相同條件下同時對MBE原位鈍化的短波硅基材料與磁控濺射鈍化的短波硅基材料進行了熱處理、光刻圖形與電極沉積等器件流片工藝。對于采用不同鈍化工藝制備的MCT短波紅外焦平面器件，利用液氮制冷，待溫度穩定后使用美國Keithley公司生產的4200-SCS系統進行Ⅰ-Ⅴ特性測試。圖6是MBE鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ曲線，圖7是磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ曲線。

圖6 MBE原位鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ測試圖

圖7 磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ測試圖

Ⅰ-Ⅴ電學特性可以較好地表征器件P-N結的電學特性，也可以從側面表征鈍化層的質量。優質的鈍化層可以較好地消除材料表面的懸掛鍵，降低表面暗電流，使器件的電學性能得到進一步提升。

通過對比不同鈍化條件的Ⅰ-Ⅴ測試結果可以看出：（1）MBE原位鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ結果是，零偏阻抗值為2.8 GΩ，電流值為3.45 nA，反向平坦區可以達到600 mV。（2）磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ結果是，零偏阻抗值為1.4 GΩ，電流值為2.41 nA，反向平坦區為300 mV。從數據對比來看，磁控濺射鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ結果較差，這可能是由于常規CdTe鈍化的紅外探測器在生長CdTe/ZnS雙層鈍化膜前，MCT材料經溴基腐蝕液腐蝕后，MCT材料表面會有一段時間暴露于大氣中，此時表面會發生氧化，形成的表面態對材料表面復合速率影響較大。鈍化層表面缺陷孔洞較多，也會影響表面的復合速率，導致器件的暗電流變大、Ⅰ-Ⅴ性能變差。對于MBE原位鈍化的CdTe，在MBE生長完MCT后直接進行原位鈍化，不會使材料暴露在大氣中，因此CdTe與MCT之間可以形成一個良好的界面。MBE原位鈍化的CdTe表面缺陷孔洞較少，因此它的Ⅰ-Ⅴ性能較好。

結束語

從折射率的表征結果發現，MBE原位鈍化膜層的致密性比磁控濺射常規鈍化膜層好，而且MBE原位鈍化的鈍化層表面的缺陷孔洞較小，鈍化層與MCT本身的晶格匹配度較好。對于MBE原位鈍化的CdTe，在MBE生長完MCT后直接進行原位鈍化，不會使材料暴露在大氣中，因此CdTe與MCT之間可以形成一個良好的界面。MBE原位鈍化芯片的Ⅰ-Ⅴ性能結果較好，零偏阻抗值為2.8 GΩ，電流值為3.45 nA，反向平坦區可以達到600 mV。實驗結果表明，原位鈍化生長技術具有更致密的CdTe膜層和更潔凈的表面，MBE原位鈍化比磁控濺射鈍化有更明顯的優勢。MBE原位鈍化技術將是未來發展的重要方向之一，其參數優化以及鈍化后的熱處理是我們以后研究的重點。

審核編輯：彭菁