爱无痕第40卷第2期
2021年4月红外与毫米波学报
J.Infrared Millim.Waves Vol.40，No.2 April，2021
高温热退火对多层P-on-N结构HgCdTe的界面影响
沈川，陈路，卜顺栋，刘仰融，何力
（中国科学院上海技术物理研究所红外材料与器件重点实验室，上海200083）
摘要：对高温热退火前后分子束外延（MBE）生长的多层P-on-N结构HgCdTe外延材料的界面变化进行研究。研究发现，高温热退火将引起HgCdTe外延材料界面层的改变，从而破坏原生结构。这种改变可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其能带结构和光电流的影响。
关键词：碲镉汞；P-on-N；界面结构；热退火；光电流
中图分类号：O471.5；TN305.3文献标识码：A
Effect of thermal annealing on the interface changes of
multi-layer HgCdTe P-on-N materials grown by MBE
SHEN Chuan，CHEN Lu，BU Shun-Dong，LIU Yang-Rong，HE Li
（Key Laboratory of Infrared Imaging Materials and Detectors，Shanghai Institute of Technical Physics，Chine
Academy of Sciences，Shanghai200083，China）
Abstract：The interface changes of multi-layer HgCdTe P-on-N epitaxial materials grown by molecular beam epitaxy （MBE）before and after high temperature thermal annealing were studied.It is found that high temperature thermal an‐nealing caus the change of the interface layer of HgCdTe P-on-N structure and destroys the original designed struc‐ture.This change can be controlled to some extent by thermal annealing conditions.At the same time，the structural changes of P-on-N before and after thermal annealing are simulated numerically，and the effects of different changes on the energy band and light current are studied.
Key words：HgCdTe，P-on-N，interface，thermal annealing，light current
PACS：68.55.Ln，72.80.Ey
西红柿盅引言
HgCdTe材料具有高吸收系数、高量子效率、波段可调等优点，一直是制作红外光电探测器以及新一代红外焦平面器件的优选材料［1-3］。常规工艺中以Hg空位HgCdTe材料作为吸收层的焦平面器件，由于其Hg空位材料本身的局限性以及N-on-P器件结构理论上的劣势，限制了HgCdTe器件的发展。由此，以As掺杂、In掺杂等为基础的P-on-N结构HgCdTe材料的研究，成为高性能第三代红外焦平面器件的关键技术［4-8］。
从材料工艺上，MBE生长的掺杂型HgCdTe材料的应用避免不了高温热退火的工艺过程。针对高温热退火前后多层结构HgCdTe外延材料的界面变化进行研究，将为HgCdTe外延材料工艺的改进，后续焦平面器件的研发提供基础。
本文实验上通过对多层P-on-N结构的HgCdTe 外延材料进行Hg压封管下的高温热退火，研究其退火前后的界面变化。研究发现，高温热退火的工艺条件，尤其是退火温度，将引起HgCdTe外延材料界面层的改变，并且这种变化可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其
金英胶囊文章编号：1001-9014（2021）02-0156-05DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2021.02.003收稿日期：2020⁃05⁃11，修回日期：2020⁃05⁃26Received date：2020⁃05⁃11，Revid date：2020⁃05⁃26
基金项目：中国科学院青年创新促进会项目
Foundation items：Supported by Youth Innovation Promotion Association，CAS
作者简介（Biography）：沈川（1985-），男，上海人，副研究员，博士，主要研究领域为分子束外延HgCdTe材料结构设计、生长和器件工艺
E-mail：shenchuan@mail.sitp.ac
2期
沈川等：高温热退火对多层P-on-N 结构HgCdTe 的界面影响
能带结构和光电流密度的影响，为后续材料生长和焦平面器件的设计提供关键基础。
1实验过程
HgCdTe 多层P-on-N 结构在Riber 32分子束外
护士个人鉴定
延系统中进行生长，衬底材料为GaAs （211）B 。图1所示是实验中采用的HgCdTe/CdTe/GaAs 多层外延材料的结构示意图。在超高真空的腔体内，衬底经过除气，高温脱氧后，先外延一层6∼10µm 的CdTe 缓冲层，然后再继续外延7∼10µm 多层P-on-N 结构HgCdTe 。HgCdTe 外延过程中，由于在生长温度下Hg 的黏附系数较低，因此HgCdTe 外延结束后需要原生覆盖一层CdTe 钝化层，如图1所示，以防止Hg 从表面脱附形成多晶。
外延后的材料切片成边长为1cm 的正方形样品，在每次实验过程中都选取相邻的两片样品，其中一片进行高温热退火过程，另一片作为对比片。由于分子束外延生长的HgCdTe 材料的面均匀性良好，相邻的样品具有相似性的材料性质，包括晶体质量、光学性质和电学性质。在对样品进行有机清洗后，氮气吹干迅速放入具有Hg 源的真空石英管中封好，进入退火炉进行高温热退火，如图2所示。Hg 源的量的选取为能保证达到一定退火温度下的Hg 饱和蒸汽压。
2结果分析
采用两种不同的退火条件对HgCdTe 样品进行
研究，样品编号A 的高温热退火条件1为退火温度300℃，退火时间为2h ；样品编号B 的退火条件2为退火温度400℃退火时间为2h 。然后分别和各自
的对比片（原生未退火样品）一起进行SIMS 测试，获得图3中的P-on-N 结构各界面处Cd 组分分布变化情况。其中，退火条件的选取是参考前期研究中关于P-on-N 结构HgCdTe 红外器件制备过程中As 激活工艺的研究结果。条件1和条件2分别对应于不同的As 激活率。同时，为减小Cap 在退火过程中可能的影响，样品在退火前都用化学腐蚀去除了表面CdTe Cap 层。
从图4中可以看到，在CdTe/HgCdTe 界面处，退火条件1下，经退火的样品的Cd 组分分布曲线基本和
未经过退火的对比片重合，只有在靠近界面处有一定的互扩散，其互扩散区厚度约为0.2µm 。然而，当退火温度升高到400℃时，退火样品的界面处的Cd 组分分布曲线出现明显的偏离趋势，发生了比
较严重的互扩散现象，可以获取到其互扩散区厚度约2∼3µm 。同样的在图5中，可以看到在不同组分的Hg 0.7Cd 0.3Te/Hg 0.77Cd 0.23Te 的异质界面，退火后的样品也发生了互扩散现象。退火条件1下，互扩散
区域较小，其互扩散厚度约为0.2µm ；而在退火条件2下，互扩散严重，互扩散厚度约为±1.3µm （
相对
图1HgCdTe/CdTe/GaAs 多层外延材料的结构示意图Fig.1
Cross ction of HgCdTe/CdTe/GaAs P-on-N
structure
图2
样品Hg 压下封管高温退火示意图
注：A 是HgCdTe 样品片，B 是退火源（Hg ），C 是石英管Fig.2Schematic diagram of thermal annealing under Hg
pressure
Note ：A is HgCdTe sample ，B is annealing source （Hg ），C is Quartz
tube
图3不同退火条件下HgCdTe P-on-N 结构各界面处Cd 组分分布变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B Fig.3
The changes of Cd composition under different ther ‐
mal annealing conditions (a)sample A,(b)sample B
157
40卷
红外与毫米波学报于原始界面）。
图6为退火前后P-on-N 结构Hg 0.7Cd 0.3Te/
Hg 0.77Cd 0.23Te 界面处As 掺杂浓度分布变化情况。可
以看到，As 原子的扩散对温度敏感性不强，不管是
300℃的退火条件还是更高温度400℃的条件下，As 原子的分布都几乎没有变化。退火前后异质结界面处的As 原子分布曲线基本重合。同样的，图7为退火前后Hg 0.7Cd 0.3Te/Hg 0.77Cd 0.23Te 界面处In 掺杂分布变化情况。300℃的退火条件1下，退火前后In
原子分布基本重合；在400℃的退火条件2下，In 原子略有扩散，但扩散现象并不严重，扩散厚度约为0.1µm 。然而，在P-on-N 结构HgCdTe 中，In 掺杂区域同时涉及到了两个界面。在CdTe/HgCdTe 界面处，发现不同的退火条件下，In 掺杂分布情况发生了较大的变化。300℃时，In 原子扩散厚度小于0.1µm ，类似与Hg 0.7Cd 0.3Te/Hg 0.77Cd 0.23Te 界面情况。在400℃的退火条件2下，In 原子分布在退火前后发生严重的偏离，整体往HgCdTe 层内部扩散，最大扩散
厚度达到0.7µm 。这是由于在HgCdTe 外延材料的生长工艺中，CdTe/HgCdTe 界面处的CdTe 层中也进行了一定的In 掺杂过程，且其掺杂浓度（3×1015cm -3）高于HgCdTe 层中的掺杂浓度（1×1015cm -3），导致在更高的退火温度下，In 原子往HgCdTe 层的扩散更
加剧烈，扩散厚度更大，
结构偏离更加严重。图4不同退火条件下CdTe/HgCdTe 界面处Cd 组分分布变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B
Fig.4
The changes of Cd composition of CdTe/HgCdTe in ‐
terface under different thermal annealing conditions (a)Sample A,(b)Sample
B
图5不同退火条件下异质结界面处Cd 组分分布变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B
Fig.5
The changes of Cd composition of heterojunction inter ‐
face under different thermal annealing conditions (a)sample A,(b)sample
B
图6不同退火条件下异质结界面处As 掺杂浓度分布变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B
Fig.6
The changes of As doping of heterojunction interface
under different thermal annealing conditions (a)sample A,(b)sample B
158
2期
双子座和什么座最配对
沈川等：高温热退火对多层P-on-N 结构HgCdTe 的界面影响
对退火前后结构参数的变化进行了总结，同时根据总结后不同的结构参数，对退火前后不同的HgCdTe P-on-N 结构进行二维模型的建模，采用Newton 迭代数值方法对Poisson 方程和电流连续性方程进行相关数值模拟计算［9-10］，获得了能带结构和光电流的变化情况。
从图8中，可以看到，300℃退火条件对HgCdTe
P-on-N 能带结构的影响只体现在界面处位置的平移，并未造成整个能带结构的畸变。然而，经过400℃的退火后，其能带结构的变化不仅体现在整个能带位置的移动，且在异质结界面处，可以看到价带处出现了明显的势垒，这将会阻挡光生载流子的迁移，从而降低器件的光电流特性，最终导致器件性能的劣化现象。对退火前后该结构的光电流同样进行了理论计算，如图9所示。可以看到，300℃退火前后其光电流的变化几乎可以忽略不记，然而经过400℃退火后，其光电流出现明显地下降现象，当外加偏压为0mV 时，退火前的材料结构的光电流大小为8.47×10-12A ，退火后降低到了3.51×10-12A ，约降低了2.4倍。这也验证了其能带结构上的畸变结果，高温退火引起的异质结界面处
清汤燕菜的价带势垒将大大的减少器件的光电流，影响器件的量子效率。
前期研究表明，As 掺杂的HgCdTe P-on-N 结构材料在后续的红外器件制备过程中，必然需要经过高温退火过程进行激活，其退火温度的高低直接影响As 的激活效率，决定P 区的电学浓度。所以不能直接采用控制退火温度的方式来消除上述的能带畸变。然而，通过高温对P-on-N 结构能带变化影响的定
量研究，可以采用“预先设计”的方式来解决这个问题，即通过上述定量后的研究结果，结合数值模拟计算，在材料生长前把高温退火带来的畸变现象考虑到结构设计中，预先改变组分结和掺杂结的位置以及各结构参数。
3结论
通过对高温热退火前后多层P-on-N 结构
HgCdTe 外延材料的界面变化进行研究，发现热退火对界面处的影响引起了其内部Cd 组分的再分布，形成组分互扩散区域。同时，As 掺杂以及In 掺杂的分布也会随着热退火条件的变化而发生改变。后续
研究发现，互扩散区域的大小与退火条件息息相关，可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N 结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其能带结构和光电流的影响，提出预先设计的方式解决高温退火引起的能带畸变现象，
从而为后续材料生长以及红外焦平面
图7不同退火条件下各界面处In 掺杂浓度分布变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B
Fig.7
The changes of In doping under different thermal an ‐
nealing conditions (a)sample A,(b)sample
出去玩的日记
B
图8不同退火下HgCdTe P-on-N 结构能带变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B
Fig.8
The changes of band energy of HgCdTe P-on-N struc ‐
ture under different thermal annealing conditions (a)sample A,(b)sample B
法国预科
159
40卷
红外与毫米波学报器件结构的设计提供一定程度的参考。References
［1］Rogalski A.Recent progress in infrared detector technolo⁃
gies ［J ］.Infrared Physics &Technology ，2011，54（3），136-154.
［2］Qiu W ，Hu W .Lar beam induced current microscopy
and photocurrent mapping for junction characterization of infrared photodetectors ［J ］.Science China-Physics Mechan⁃ics &Astronomy ，2015，58（2）：1-13.
［3］Hu W ，Li Q ，Chen X ，et al ."Recent progress on advanced
infrared photodetectors ，"Acta Phys.Sin.，2019，12（68），doi ：10.7498.
［4］Chandra D ，Weirauch D F ，Schaake H F ，et al .Growth of
very low arnic-doped HgCdTe ［J ］.Journal of electronic materials ，2005，34（6）：963-967.
［5］QIN Gang ，LI Dong-Sheng ，The As-doping technique of
HgCdTe thin film by MBE ［J ］.Infrared Technology （覃钢，李东升。分子束外延碲镉汞薄膜的砷掺杂技术，红外技术），2015，37（10）：858-863.［6］Arias J ，Zandian M ，Pasko J G ，et al .Molecular-beam epi⁃
taxy growth and in situ arnic doping of p-on-n HgCdTe heterojunctions ［J ］.Journal of applied physics ，1991，69（4）：2143-2148.
［7］Zandian M ，Chen A C ，Edwall D D ，et al .p-type arnic
doping of HgCdTe by molecular beam epitaxy ［J ］.Applied Physics Letters ，1997，71：2815-2817.
［8］Sivananthan S ，Wijewarnasuriya P S ，Aqariden F ，et al .
Mode of arnic incorporation in HgCdTe grown by MBE ［J ］.Journal of Electronic Materials ，1997，26（6）：621-624.
［9］Liang J ，Hu W ，Ye Z ，et al .Improved performance of
HgCdTe infrared detector focal plane arrays by modulating light field bad on photonic crystal structure ［J ］.Journal of Applied Physics ，2014，115：184504.
［10］Gopal V ，Qiu W ，Hu W.Modelling of illuminated cur⁃
rent-voltage characteristics to evaluate leakage currents in long wavelength infrared mercury cadmium telluride photo⁃voltaic detectors ［J ］.Journal of Applied Physics ，2014，116：
184503.
图9不同退火下HgCdTe P-on-N 结构光电流变化情况(a)样品编号A ，(b)样品编号B
Fig.9
The changes of light current of HgCdTe P-on-N struc ‐
ture under different thermal annealing conditions (a)sample A,(b)sample B
160
