液相外延HgCdTe薄膜组分均匀性对红外透射光谱的影响
红外反射_吸收光谱及其在表面和薄膜领域的应用
28第12卷第1期1997年2月(A)S 偏振(B)P 偏振(C)透射谱时E 与表面平行图1偏振光在金属反射面上的相位变化和透射谱测量时电场方向与表面的位置关系红外反射 吸收光谱及其在表面和薄膜领域的应用王海水李薇席时权(中国科学院长春应用化学研究所长春130022)摘要介绍了红外反射 吸收技术的原理、特点、影响灵敏度的因素和光路设置,用近期研究实例介绍了该技术的应用情况。
作为研究分子结构的有效工具,红外光谱(I R)在膜科学和表面科学的研究中得到了广泛利用。
单纯使用红外透射谱测量技术难以获得界面材料或膜材料内分子的完整结构信息,而红外反射 吸收光谱(Reflection Absor p tion,简称RA 谱)能够弥补透射谱的不足。
下面介绍有关RA 谱的知识。
一、RA 技术的测量原理1.物质对红外光的吸收红外谱带的吸光度A 可用下式表示:A =log(I 0/I ) (M E )2M 代表振动的跃迁矩矢量,E 代表光的电矢量。
从上式可以看出,A 值同E 矢量和M 矢量点乘之积有关。
E 矢量和M 矢量之间的角度将影响物质对红外光的吸收强度。
2.RA 技术的原理当IR 光束在金属表面上发生反射时,反射光电矢量E R 的方向将随着光线入射角 和入射光的偏振状态而发生变化。
图1给出了在掠角入射时(入射角 接近90 时称为掠角入射)E R 的方向与入射光偏振状态间的关系[1]。
入射光电矢量与入射面垂直时(称为S 偏振光),E R 与入射光电矢量E S 振幅接近但方向相反,两者在界面产生相消干涉,因此界面电场强度接近为零。
当入射光电矢量方向与入射面平行时(称为P 偏振光),E R 与入射光电矢量E P 在界面产生相长干涉,两者在垂直于表面的方向上产生了较强的界面电场E,E 的振幅接近于E P 的两倍,因此界面电场的强度约比E P 的强度增加了四倍。
知识介绍29入射光图2RA 附件光路路径图自然光入射到金属界面上时,每一电矢量可以分解为两个组份(分量),即与入射面平行的P 组份和与入射面垂直的S 组份。
光学薄膜界面粗糙度互相关特性与光散射_潘永强
方差函数 G(τ)=〈h(r)h(r +τ)〉 的傅里叶变换 ,
h(r)为表面粗糙度轮廓的高度函数 , τ为滞后长度 ,
r 为 x-y 平面内的位置矢量 。如果表面为各向同性表
面 , 且入射光垂直入射 , 则有 g(k -k0)=g(k)。
N 层光学薄膜矢量散射理论的表达式可写 成[ 1 2]
NN
∑ ∑ d
(1 西安工业大学光电工程学院 , 陕西 西安 710032;2 西安电子科技大学理学院 , 陕西 西安 710071)
摘要 为了研究光学薄膜界面的互相关特性及光散射特性 , 介绍了光学薄膜的散射理 论和模型 。 依 据光学薄膜 矢 量散射的表达式 , 借助于总背向散射理论分析了 光学薄膜界 面互相 关特性对 光散射 的影响 , 并用 实验验 证和分 析 了 T iO 2 单层薄膜膜层厚度 , K9 玻璃基底粗糙度以及 离子束 辅助沉 积(IBA D)工 艺等因 素对光学 薄膜界 面互相 关 特性 的影响 。 结果表明 , 根据矢量光散射理论计算的光学薄膜界面 互相关特性和光散射的 关系与实 验测量结果 一 致 。 随着基底粗糙度 、薄膜光学厚度的增加 , 薄膜界面的互 相关特性 会变差 , 采 用离子束 辅助沉 积的 T iO 2 单层 薄 膜的膜层界面互相关性明显好于不用离子束辅助沉积的薄膜 。 关键词 薄膜 ;互相关特性 ;光散射 ;表面粗糙度 中图分类号 O 484 文献标识码 A
2
dP P0 dΨ
sin
θ· dθ。
(6)
3 实 验
基底为 K 9 玻璃 , 折射率 ns =1 .52 , 使用配备了 西安工业大学自行研制的宽束冷阴极离子源的国营 南光机械厂生产的 ZZS-7001/ G 箱式光学镀膜机 , TiO 2 薄膜的制 备采用电 子枪热蒸 发的方式 沉积 。 TiO 2 薄膜表面粗糙和基底表面粗糙度的测量用的 是英国泰勒-霍普森有限公司生产 的 T alysurf CCI 白光干涉表面轮廓仪 , 散射的测量用的是日本产的 带有积分球的 u-3501 分光光度计 , 总背向散射值均 为波长为633 nm处的散射值 。
Si基分子束外延HgCdTeCdTe评价与表征研究的开题报告
Si基分子束外延HgCdTeCdTe评价与表征研究的开题报告标题：Si基分子束外延HgCdTe/CdTe评价与表征研究摘要：本文介绍了一项旨在评价和表征Si基分子束外延HgCdTe/CdTe结构的研究。
该研究利用了扫描电子显微镜、X射线衍射仪、Raman光谱仪等多种分析技术对该结构进行了表征，并使用Laser 微光致发光测试系统对该结构中的缺陷进行了评价。
研究结果表明，该结构在表面质量和晶体质量方面都具有优异的性能。
该研究对于进一步开发高性能的红外探测器具有重要意义。
关键词：分子束外延，HgCdTe，表征，评价，微光致发光一、研究背景近年来，红外技术的快速发展使得红外探测器成为新一代光学探测器中的重要一环。
其中，HgCdTe在红外探测器领域中被广泛应用，其性能也被认为是最优越的。
但是，传统的HgCdTe晶体材料制备技术存在诸多问题，比如成本高、稳定性差以及生产效率低等。
因此，寻求新的制备方法成为了该领域的重点研究方向之一。
分子束外延技术作为一种新兴的合成方法，近年来被广泛应用于半导体、太阳能电池以及红外探测器等领域。
该技术在制备高性能HgCdTe 探测器方面具有独特优势，但相应的研究还比较有限。
因此，本研究旨在评价和表征一种新的Si基分子束外延HgCdTe/CdTe结构，为进一步开发高性能的红外探测器提供理论依据和实用技术。
二、研究内容1. 实验材料本研究所使用的材料为Si基衬底、CdTe中间层和HgCdTe外延层。
2. 实验方法2.1 表征方法扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）以及Raman光谱仪等多种表征方法被用于对样品进行表征。
2.2 评价方法使用Laser微光致发光测试系统对样品中的缺陷进行评价。
3. 预期结果通过表征和评价实验，本研究预期得到以下结果：3.1 表面和晶体质量优异：通过SEM和XRD等表征方法，探测样品表面和晶体质量的优越性能。
3.2 缺陷评价：使用Laser微光致发光测试系统对样品缺陷进行评价，从而进一步确定样品的探测性能和应用前景。
液相外延碲镉汞薄膜的表面损伤研究
ＳｕｒｆａｃｅｄａｍａｇｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆＬＰＥＨｇＣｄＴｅｆｉｌｍｓ
ＬＩＣｈｕｎｌｉｎｇ，ＱＩＮＹａｎｈｏｎｇ，ＣＨＥＮＹｕ，ＷＡＮＧＣｈｕｎｈｏｎｇ
（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｄｅｐｔｈｔｅｓｔｏｆＨｇＣｄＴｅｆｉｌｍｓｕｒｆａｃｅｄａｍａｇｅｌａｙｅｒｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｉｔｓｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ， ｕｓｉｎｇｌｉｇｈｔｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆＨｇＣｄＴｅｆｉｌｍ ｗａｓｔｅｓｔｅｄ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｐｔｈｏｆｄａｍａｇｅ ｌａｙｅｒＩｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄａｍａｇｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｐｒｅｖｉｏｕｓｐｒｏｃｅｓｓｈａｓｂｅｅｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｒｅｍｏｖｅｄａｆｔｅｒｔｈｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓｖａｌｕｅｈａｓｒｅａｃｈｅｄｔｈｅｓｔａｂｌｅｖａｌｕｅ，ａｎｄｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｄａｍａｇｅｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｐｏｌｉｓｈｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓＴｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｗｈｅｔｈｅｒｔｈｅｄａｍａｇｅｌａｙｅｒｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｒｅｍｏｖｅｄ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｓｎｏｄａｍａｇｅｔｓ：ＨｇＣｄＴｅｆｉｌｍ；ｄａｍａｇｅｌａｙｅｒｄｅｐｔｈ；ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ
分子束外延HgCdTe薄膜位错密度的研究
第20卷第5期 半 导 体 学 报 V o l.20,N o.5 1999年5月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S M ay,1999 分子束外延HgCdTe薄膜位错密度的研究3于梅芳 杨建荣 王善力 陈新强 乔怡敏 巫 艳 何 力(半导体薄膜材料研究中心及红外物理国家重点实验室 中国科学院上海技术物理研究所 上海 200083)韩培德(中国科学院北京电子显微镜实验室 北京 100080)摘要 本文报道在晶格失配GaA s衬底上分子束外延H gCdT e薄膜的位错密度研究结果.用位错腐蚀坑密度(EPD)、X射线双晶衍射以及透射电子显微镜方法,对CdT e缓冲层以及H gCdT e薄膜的位错密度、其纵向分布及与工艺条件的相关关系进行了评价、分析.研究发现退火可以有效地降低H gCdT e薄膜的位错密度.PACC:6855,8155G,6170A,6170G,81601 引言H gCdT e中的位错对红外探测器的性能有十分大的影响.理论与实验表明:贯穿p n结位错的存在导致隧道电流增大;位错作为少子复合中心具有电学活性[1,2],通过Shock ley2 R ead2H all(SRH)复合作用使材料的低温少子寿命大大降低,从而降低器件零偏结阻抗(R0A)、增大器件噪声,严重影响探测器性能[3].显然,降低位错密度是红外探测器材料制备技术中的关键问题之一.为了获得较低的位错密度,目前普遍采用与H gCdT e晶格匹配的CdZnT e单晶作为外延生长的衬底,其位错密度小于5×105c m-2[4].但是由于CdZnT e单晶制备的困难导致价格昂贵,高质量、大面积单晶难以获得以及与Si信号处理电路混成的热失配等问题,在Si异质衬底上外延生长H gCdT e薄膜是目前的发展方向[5].本项研究采用GaA s单晶作为外延H gCdT e的衬底,这是因为:GaA s单晶相对比较成熟,具有廉价、较高的晶体质量、大面积、表面处理技术成熟等特点;GaA s单晶与H gCdT e晶格失配较大(失配度为1416%),在 3国家自然科学基金(批准号69425002)以及中国科学院资助项目于梅芳 女,1949年出生,高级工程师,从事半导体材料与评价研究杨建荣 男,1958年出生,研究员,从事半导体材料与物理研究何 力 男,1957年出生,研究员,博士生导师,半导体材料与物理研究1997212230收到,1998205206定稿GaA s 衬底上生长H gCdT e 材料所获得的结果对下一步在失配度更大的Si 衬底外延具有直接的指导意义.常用化学选择腐蚀法直接显示材料中的位错腐蚀坑密度(EPD )[6,7],并在较大范围内观察其分布情况,在H gCdT e 位错密度以及位错对器件性能影响的研究中得到普遍采用[8].人们知道[9,10]高温热处理方法可以有效地降低H gCdT e 材料中的位错密度,但报道有限,特别是对200～250℃低温退火以及不同退火温度对位错密度在生长方向上(纵向)分布的影响等尚不清楚.本文报道我们采用EPD 方法对GaA s 衬底上外延CdT e 缓冲层、H gCdT e 薄膜的位错密度以及热处理的效果的研究结果.2 实验H gCdT e 薄膜的外延生长是在R iber 32P M B E 系统中,采用GaA s (211)B 衬底进行的.衬底位错密度为～104c m -2.生长H gCdT e 之前,在GaA s 衬底上生长了厚度为3～4Λm 的CdT e 缓冲层.为了研究缓冲层厚度对位错密度的影响,分别生长了不同厚度(2～6Λm )的CdT e 薄膜.H gCdT e 外延层厚度为10～15Λm .关于衬底制备以及薄膜的详细生长过程可参阅文献[11].为了研究热处理工艺对H gCdT e 薄膜位错的影响,在研究中,我们对生长后的H gCdT e 薄膜分别在100～250℃和400～490℃范围内的不同温度下进行10～72h 和5m in ～2h 的退火实验.用位错腐蚀坑密度(EPD )、X 射线双晶衍射以及透射电子显微镜(T E M )等方法对薄膜位错进行了研究.CdT e 和H gCdT e 的EPD 实验分别采用了(211)B 面腐蚀液:HNO 3∶H F ∶乳酸[12](Everson 腐蚀液)和HNO 3∶K 2C rO 7∶HC l ∶H 2O 标准位错腐蚀液[13](Chen 腐蚀液),再经015‰溴甲醇腐蚀2s ,甲醇漂洗.上述2种腐蚀液在国际上得到普遍的采用,也是比较各实验室材料位错密度的依据[14].为了进一步确认位错腐蚀的有效性,在研究中我们分别比较了文献中其他各种分别适用于CdT e 以及H gCdT e (211)的位错腐蚀液,并用体晶做腐蚀对比实验.这些腐蚀液包括E 2A g 腐蚀液[15],N akagaw a 腐蚀液[16],Schaake 腐蚀液[6],M odified Chen 腐蚀液[17],H aehnert 腐蚀液[18].晶体在[111]晶向的极性导致A 、B 面上腐蚀效果的差异,为了确认B 面腐蚀结果的有效性,我们用反向减薄(暴露A 面)技术对H gCdT e 外延层进行了A 、B 面EPD 比较实验.为了确定位错的纵向分布,我们对一些样品采用012%溴甲醇进行了不同深度的剥层腐蚀,然后在不同深度的剥层台阶上进行了EPD 腐蚀实验确定EPD 的深度分布.剥层深度用红外透射光谱[19]以及台阶仪测定.3 结果与讨论H gCdT e 外延层表面光亮.图1(见图版I )为H gCdT e 外延层的表面形貌照片.从图可见,在合适的生长条件下,外延层的表面无明显生长特征,在5018mm 薄膜上宏观缺陷密度典型值为200～300c m -2.值得指出:大量器件工艺研究表明,薄膜表面的宏观缺陷是器件杀手[20],必须通过优化生长工艺将它抑制到最小值.退火没有导致宏观缺陷密度的增加和表面形貌劣化.使用各种位错腐蚀液的显示效果实验发现这些腐蚀液与本研究采用的Everson 和9735期 于梅芳等: 分子束外延H gCdT e 薄膜位错密度的研究 Chen腐蚀液比较,显示的位错密度基本一致或者偏少.薄膜的A、B面腐蚀比较实验发现, A面腐蚀坑尺度较大,形状更为规则,但密度与B面结果基本一致.在体晶材料的位错腐蚀实验中观测到了亚晶界,层错等,而在本研究的所有外延CdT e以及H gCdT e中没有发现类似缺陷.以上结果确认了本研究采用的Everson和Chen腐蚀液的有效性.在CdT e表面的位错将会延伸到在其上生长的H gCdT e层中,直接影响H gCdT e晶体质量.为确定CdT e表面位错密度与外延层厚度的关系,我们对2～6Λm不同厚度的CdT e 外延层分别进行了EPD研究.实验发现,当厚度大于～3Λm后,表面EPD值降为1～2×106c m-2,不再随厚度的进一步增加而明显降低.图2(见图版I)为GaA s CdT e缓冲层 H gCdT e结构样品的T E M明场截面像,CdT e外延层厚度为3Λm.接近CdT e GaA s界面处可以观测到高密度的穿越位错,随着离开界面距离的增加位错密度逐渐下降,与EPD结果吻合.实验发现原生H gCdT e薄膜的位错密度较高,一般,EPD值为9×106～2×107c m-2.生长后的退火对降低位错密度有非常明显的效果.图3(a)和(b)(见图版I)分别为400℃高温图4 长波H gCdT e外延层表面EPD与退火温度的关系H gCdT e外延层厚度为～10Λm.退火后以及原生的H gCdT e表面EPD照片.图4为实验获得的H gCdT e表面EPD值与退火温度的关系.大量的实验结果统计表明:在～250℃温度低温退火后, EPD值可降低至原生值的～50%,典型值为4×106～6×106c m-2.～250℃低温、长时间(>24h)退火是获得N型H gCdT e材料的常规热处理条件,故此,了解该条件下位错密度的变化情况是十分必要的.在400℃以上的高温退火,薄膜的位错密度进一步降低,490℃退火后EPD值为2×106～3×106c m-2.退火对位错的影响可以解释为在热应力场作用下位错热运动所导致的湮灭、交合过程[21].特别在H gCdT e中由于汞空位的大量存在,位错和汞空位的相互作用降低了位错的热运动激活能[10],从而即使在250℃下的低温退火对降低位错密度仍有较大的效果.结果表明退火对改善晶体质量有明显效果,是一种降低H gCdT e位错的有效、简便方法.值得指出:没有观测到在同一退火温度下相应退火时间的不同与EPD在统计意义上的相关关系,Yam2aguch i等人[23]在GaA s Si系统上通过比较不同的退火温度周期实验,观测到类似结果.在特定温度下的一定时间范围内,位错密度的降低主要与热运动激活能,即退火温度相关.H gCdT e的X射线双晶衍射半峰宽(FW HM)经退火后有不同程度的减小.250℃退火获得的材料典型半峰宽值为70″～100″,在430℃退火则测得57″,与EPD结果吻合.研究H gCdT e外延层中位错密度的纵向分布情况对红外器件的应用有十分重要的意义.对光伏型红外探测器而言,外延层表面1～2Λm区域是探测器的PN结区和红外吸收区.在这个区域内,特别是在PN结区内的位错密度将直接影响器件性能.为了了解位错密度的纵向分布情况,我们对不同H g CdT e样品进行了剥层腐蚀实验.部分EPD结果如图5所示.由于CdT e H gCdT e晶格失配(0104%)以及CdT e缓冲层表面本身存在的位错(1×106～2×083 半 导 体 学 报 20卷图5 不同样品EPD 随纵向深度的变化关系横轴原点为H gCdT e 外延层表面.106c m -2),原生H gCdT e 在CdT e H gCdT e 界面处位错密度相对较高,随H gCdT e 生长厚度的不断增加位错密度不断下降至一相对稳定值.EPD腐蚀结果表明,位错密度在H gCdT e 表面最低,随H gCdT e 腐蚀深度的增加位错密度逐渐缓慢上升.经退火后,位错密度随深度的变化与原生薄膜相比有更加缓慢的上升趋势.其原因可能是由于热处理时位错热运动导致的位错湮灭、交合效果更为明显(位错湮灭、交合速率分别与位错密度和位错密度二次方成正比[23]),从而可能导致退火后的材料EPD 值随深度的变化关系与原生材料相比趋向于更加缓慢.以上结果表明材料高温退火降低位错密度的工艺对器件的应用有很高的实用价值.4 结论我们对在GaA s 衬底上M B E 生长的CdT e 缓冲层和H gCdT e 外延层的位错密度以及退火对降低位错密度的效果用EPD 方法进行了评价研究.当CdT e 缓冲层厚度大于3Λm 时,表面EPD 随厚度的下降基本达到稳定值1×106～2×106c m -2,CdT e 厚度的进一步增加对降低表面EPD 的影响不大.原生的H gCdT e 薄膜EPD 较高,约为107c m -2量级.研究发现,250℃低温退火可使EPD 降低～50%.在合适的高温退火条件下也可使EPD 降低约一个数量级.EPD 纵向腐蚀实验表明,位错密度在H gCdT e 表面最低,随离开表面的深度增加逐渐上升,退火使这种上升趋于更加缓慢.以上结果表明,热处理工艺是降低H gCdT e 位错密度十分有效、简单的手段,在器件应用上有实用价值.致谢 作者感谢上海技术物理研究所半导体薄膜材料研究中心方维政、杜美蓉、许颐璐、俞锦陛、于福聚对本项工作的技术支持.参考文献[1] J .H .T regilgas ,J .V ac .Sci .T echno l .,1982,21(1):208～211.[2] J .P .H irth ,H .Eh renreich ,J .V ac .Sci .T echno l .1985,A 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icroscopy,T he Ch inese A cad e my of S ciences,B eij ing 100080)R eceived30D ecem ber1997,revised m anuscri p t received6M ay1998Abstract T he resu lts of dislocati on den sity investigati on in H gCdT e ep ilayers grow n on lattice m is m atched GaA s by m o lecu lar beam ep itaxy are described.T he dislocati on den sity in CdT e buffer layers and H gCdT e ep ilayers,its dep th p rofile as w ell as the co rrelati on w ith the p rocess conditi on s are studied by u sing the standard etch2p its den sity(EPD)de2 tecti on techn ique,doub le X2ray diffracti on and tran s m issi on electron m icro scop y.It is found that a therm al annealing p rocess is very effective in reducing dislocati on s in H gCdT e.PACC:6855,8155G,6170A,6170G,8160。
HgCdTe红外探测器CdTe钝化蒸发生长改进
HgCdTe红外探测器CdTe钝化蒸发生长改进徐竟杰;陈兴国;周松敏;魏彦锋;林春;杨建荣【摘要】在液相外延生长(LPE)的碲镉汞(HgCdTe)外延薄膜(111)方向上蒸发生长碲化镉(CdTe)钝化层.在70 ～250℃范围内的各个不同的温度环境下进行碲化镉钝化膜的蒸发生长.根据需要,对各样本进行150～300℃各个温度下的后期退火处理.运用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、二次离子质谱(SIMS)、X射线衍射(XRD)观测技术表征碲化镉钝化膜的形貌结构、成分分布、晶体质量.结果表明,加热环境下蒸发生长碲化镉钝化膜可以消除常规蒸发生长中的柱状多晶结构,显著提高钝化品质；后期的退火处理还能进一步提高钝化膜质量.%CdTe surface passivation layers were deposited by evaporation on (111) liquid phase epitaxy (LPE) grown HgCdTe epilayers. The processes of CdTe layer deposition were carried out at different temperatures ranging from 70 ℃ to 250 ℃. Furthermore,prepared samples were annealed at a temperature range between 150℃ and 300℃. Scanning electron microscope ( SEM) and transmission electron microscope ( TEM) were used to evaluate the profile and structure of CdTe passivation layers. The compositional properties were surveyed by secondary ion mass spectroscopy ( SIMS). X-ray diffraction (XRD) characterized the crystal quality. The experimental results show that heating during the deposition process can eliminate the columnar and polycrystalline structure in course of general evaporation, and effectively improve the quality of CdTe passivation layers. The annealing treatment can provide further improvement.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)011【总页数】5页(P1263-1267)【关键词】碲化镉;碲镉汞;钝化;扫描电镜;透射电镜;二次离子质谱;X射线衍射【作者】徐竟杰;陈兴国;周松敏;魏彦锋;林春;杨建荣【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院研究生院,北京100039;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所,红外成像材料与器件重点实验室,上海200083【正文语种】中文【中图分类】TN2151 引言HgCdTe材料能带可裁剪，吸收系数大、量子效率高，探测器件的响应速率高，工作温度高［1］，这些卓越性能使得HgCdTe成为红外焦平面探测器制造中一种非常重要而且常用的材料。
HgCdTe液相外延材料组分分布的红外透射光谱评价技术
维普资讯
第２ ９卷 第 ３期 ２０ ０ ８年 ３月
半
导
HgCdTe液相外延材料缺陷研究的开题报告
HgCdTe液相外延材料缺陷研究的开题报告一、选题背景与意义近年来，随着半导体材料在电子、光电、通信、能源等领域的广泛应用，半导体材料的质量和性能越来越被关注。
HgCdTe 这种主要用于红外探测、成像等领域的半导体材料，由于具备优良的光电特性，唯一能够突破经典热辐射理论限制的优势，因此在军事、地质勘探、红外碳纤维等领域得到广泛应用。
其中，液相外延 (Liquid Phase Epitaxy, LPE) 是 HgCdTe 材料制备的主要方法之一。
但是，在 HgCdTe LPE 中，材料质量的改进还面临着诸多困难。
其中，晶体缺陷是影响材料光电性能的重要因素，会导致电子的复合、漂移混乱以及电阻率增加等一系列影响。
因此，深入研究 HgCdTe LPE 过程中导致晶体缺陷的机理及控制方法，才能在改进材料质量方面取得更好的效果。
二、研究内容和方法本课题主要研究 HgCdTe LPE 材料中晶体缺陷的成因及其对材料性能的影响，同时探究控制材料缺陷的方法。
具体研究内容包括：1. HgCdTe晶体的俯侧镶嵌缺陷 (planar slip defects) 的成因及对材料性能的影响。
2. 探究在 LPE 过程中，控制晶体生长速度与降低晶体缺陷发生率之间的关系。
3. 通过改变晶体生长的温度梯度、控制晶体表面张力等方法来降低晶体缺陷的产生率。
其中，采用 X 射线衍射、扫描电子显微镜等表征方法，研究 HgCdTe 材料的微观结构特性，同时通过控制 LPE 过程中的生长条件，在材料生长过程中追踪晶体缺陷的变化规律及产生机理，从而有效消除晶体缺陷产生的风险，达到提高材料质量的目的。
三、预期目标和意义本课题旨在研究 HgCdTe LPE 材料中晶体缺陷的机理及控制方法，通过改进材料制备过程，提高 HgCdTe 材料的质量和性能。
预期达到的目标包括：1. 研究和分析 HgCdTe LPE 材料中晶体缺陷的成因及其对材料性能的影响，为优化材料生长过程提供理论依据。
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ν 2005 中国电子学会
第5期
王庆学等 : 液相外延 HgCd Te 薄膜组分均匀性对红外透射光谱的影响
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其中 E0+, t和 E0-, t 分别为在入射介质中平行于界面
的入射和反射电磁场矢量 ;
和 E+ m + 1/ m , t
分别 E m + 1/ m , t
为出射介质中平行于界面的出射和反射电磁场矢
CdZn Te 外延薄膜的纵向组分分布 ,其他的参数分 别为Δz = 0 , d = 15μm , xs = 01 215. 图 3 ( b) 是分别与 图 3 (a) 所对应的理论透射光谱. 可以看出 ,组分梯 度主要影响透射光谱的吸收边 ,对干涉条纹几乎没 有影响. 随组分梯度的增加 ,透射光谱的吸收边向高 波数移动 ,并且透射光谱的吸收边的斜率减小.
2 理论模型
对于具有组分梯度的 HgCd Te 薄膜 ,采用多层
模型计算红外透射光谱 ,假定每层具有相同的组分
和光学常数. 对于 m 层的模系 ,由多层模型和膜系
传递矩阵理论可以得到[6 ] ,
E+ 0,t
E+ m+1/ m , t
=M
(1)
E0,t
Em+1/ m , t
3 国家自然科学基金委创新研究群体科学基金资助项目 (批准号 :60221502) 王庆学 男 ,1977 年出生 ,博士研究生 ,主要从事 HgCd Te 半导体材料的表征. 2004206201 收到 ,2004208211 定稿
HgCd Te 外延薄膜是发展高性能红外焦平面器 件的基础 ,材料组分均匀性是评价 HgCd Te 外延薄 膜特性的基本参数[1] . 由于材料本身和工艺因素等 原因 , HgCd Te 外延薄膜存在横向组分波动和纵向 组分梯度 ,横向组分波动将影响光敏元的均匀性 ,而 纵向组分梯度将导致外延薄膜存在内建电场. 研究 发现适当的组分梯度有利于少数载流子向结区扩 散 ,然而过大的组分梯度将影响探测器的截至波长 、 稳定性 、噪声以及探测率等[2] . 因此 ,采用适当的测 量方法评价 HgCd Te 外延薄膜的组分均匀性 , 对 HgCd Te 外延薄膜的生长及 HgCd Te 探测器的制 备都具有重要的意义. 目前 , HgCd Te 外延薄膜组分 的测量方法主要有红外透射光谱 、SIMS、EDS 及光 反射等[3] ,其中红外透射光谱由于具有非接触 、非破 坏性等特点 ,已成为 HgCd Te 外延薄膜常规的测试 和评价手段. Ho ugen 和 Ro senfeld 均建立了各自的 HgCd Te 液相外延薄膜组分分布模型 ,通过拟合红 外透射谱给出了该材料纵向组分分布 ;刘坤在拟合
(中国科学院上海技术物理研究所 半导体材料与器件研究中心 , 上海 200083)
摘要 : 用多层模型和膜系传递矩阵计算了 HgCd Te/ CdZn Te 外延薄膜的红外透射光谱 ,结果表明组分扩散区主要 影响透射光谱的干涉条纹和透射率小于 10 %的区域 ,而组分梯度区则影响吸收边斜率. 横向组分波动也将影响透 射光谱的吸收边斜率 ,当组分均方差小于 01 005 时 ,横向组分波动对透射光谱影响可以忽略. 用新的组分分布模型 计算了 HgCd Te/ CdZn Te 液相外延薄膜的理论透射光谱 ,并运用非线性二乘法使理论曲线能够很好地与实验结果 吻合 ,从而获得了更加可信的 HgCd Te 外延薄膜的纵向组分分布和厚度参数.
关键词 : 多层模型 ; 膜系传递矩阵 ; HgCd Te 外延薄膜 ; 纵向组分分布 ; 横向组分波动 PACC : 5270 K; 7280 E ; 7360 F 中图分类号 : TN04 文献标识码 : A 文章编号 : 025324177 (2005) 0520904206
1 引言
x ( z) = xs + s ( d - z) + (1 - xs - sd) (1 - (erf (Δ2 zz) ) 3 ) (15)
式中 x ( z) 为距界面为 z 处的组分 ; xs , d , s 和 Δz 分别为外延层的表面组分 、厚度 、组分梯度以及扩散 区的厚度. 由于组分扩散通常能够用误差函数很好 地描述 ,因此该模型中的组分扩散区也表示为与误 差函数有关的参量.
N = n - jk
(5)
式中 n 为折射率 ; k 为消光系数.
对于 S 偏振 ,
ηS = Nco sθ
(6)
U k 为位相矩阵 ,
e xp jδk
0
Uk =
0
expj ( - δk )
(7)
其中 δ为光程差 ,它与折射率和厚度的关系为 ,
δ=
2πN dco sθ λ
(8)
由 (1) ～ (8) 式可以求出多层膜总的反射率 (适用于
数. 运用上述的理论模型所计算的具有不同横向组
分均方差的理论红外透射光谱见图 4. 理论计算时 ,
该外延薄膜的纵向组分分布的各个参数分别为 s = 16cm - 1 ,Δz = 21 0μm , d = 15μm 和 xs = 01 215. 从图
第5期
王庆学等 : 液相外延 HgCd Te 薄膜组分均匀性对红外透射光谱的影响
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半 导 体 学 报
第 26 卷
HgCd Te 外延薄膜的组分扩散区和组分梯度区 由于具有不同的组分梯度 ,因而对红外透射光谱产 生不同的影响. 图 2 为 HgCd Te/ CdZn Te 外延薄膜 组分扩散区厚度对透射光谱的影响. 图 2 (a) 为具有 不同的组分扩散区厚度的纵向组分梯度 ,其他参数 分别为 s = 0 , d = 15μm , xs = 01 215. 图 2 ( b) 为分别 对应于图 2 (a) 中的组分梯度 ,运用上述的多层模型 和膜系传递矩阵计算的理论透射光谱 ,入射角度为 0°的正入射. HgCd Te 的折射率和吸收系数分别与 组分和波长的关系取自文献[ 3 ] . 消光系数可以由吸 收系数 ( k =αλ/ 4π) 求出. 由图可以看出 ,扩散区主要 影响干涉条纹和透射率小于 10 %的区域 ,对透射光 谱的其他部分影响很小. 组分扩散区将导致红外透 射光谱干涉条纹的振幅随波数的增加而梯度减小 , 并且组分扩散区的厚度越大 ,该透射光谱干涉条纹 的振幅随波数增加而梯度减小的幅度增加. 同时 ,组 分扩散区厚度的增加也使透射光谱尾部的斜率减 小.
P 和 S 偏振) ,
RS ,P =
E0,t
E+ 0,t
2
=
M21 2 M11
(9)
对于 P 偏振 ,多层膜总的透射率为 :
TP =
N m+1 co sθ0 N 0 co sθm+1
12 M11
(10)
θ0 和θm + 1 分别为入射角和出射角. 而对于 S 偏振 ,
多层膜总的透射率为 ,
TS =
N m+1 co sθm+1 N0 co sθ0
HgCd Te 外延薄膜红外透射谱时考虑了横向组分波 动的影响 ,然而他们仅拟合了红外透射谱的本征吸 收边 ,忽略了薄膜的干涉效应[4 ,5] . 我们在研究中发 现 ,如 果 考 虑 薄 膜 干 涉 效 应 , 采 用 Ho ugen 和 Ro senfeld 的组分分布模型均并不能很好地拟合实 验结果. 因此 ,本文对现有组分分布模型进行了修 正,并采用多层模型和膜系传递矩阵计算了 HgCd Te 外延薄膜的理论透射光谱 ,从理论上研究 了组分梯度和组分横向波动对透射光谱的影响 ,最 后用新建立的组分分布模型拟合了具有 HgCd Te/ CdZn Te 结构的红外透射光谱 ,并获得了 HgCd Te 液相外延薄膜的纵向组分分布.
图 3 组分梯度区对红外透射光谱的影响 Fig. 3 Effect of compo sitional gradient s on inf rared t ransmissio n spect ro scopy
3. 2 横向组分波动
刘坤等人证实 HgCd Te 体材料和外延薄膜的 横向组分波动均符合正态分布[5] ,即 :
第 26 卷 第 5 期 2005 年 5 月
半 导 体 学 报
C H IN ESE J OU RNAL O F SEMICONDUC TORS
Vol. 26 No . 5 May ,2005
液相外延 HgCdTe 薄膜组分均匀性 对红外透射光谱的影响 3
王庆学 魏彦锋 杨建荣 何 力
f ( x) = (1/ 2πσ) exp ( - ( x - μ) 2 / 2σ2 ) (16) 其中 μ为组分平均值 ;σ为反映组分离散性的均方
差. 具有横向组分波动的 HgCd Te 材料的吸收系数
为,
∫x +2σ
α = average
α( x) f ( x) d x
x - 2σ
(17)
其中 α( x) 是组分为 x 的 HgCd Te 材料的吸收系
量 ; M 为膜系传递矩阵 ,M=m∏Vk
1 -1
V
k
U
k
V
-1 m
V
m
+1
=
k =1
M11 M12 M21 M22
(2) Vk 为导纳矩阵 ,表达式为 :
11
Vk = ηk - ηk
(3)
V
k
1
为
Vk
的逆矩阵
,η为光学导纳.
对于 P 偏振
ηP
=
N
co sθ
(4)
式中 θ为入射角 ; N 为复数折射率 ,
图 2 组分扩散区对红外透射光谱的影响 Fig. 2 Effect of co mpo sitional diff usion widt h on in2 f rared t ransmission spect ro scopy