HgCdTe表面/界面光电特性研究

【摘要】：化合物半导体材料Hg1-xCdxTe凭借其禁带宽度可调、波段覆盖整个红外波段、量子效率高等优点，已成为红外探测器制备最主要的材料。但是碲镉汞材料禁带宽度窄，晶体结构中的Hg-Te键较弱，汞原子易逸出，因而制备出的碲镉汞探测器受材料表面影响严重，甚至很大程度上决定了探测器的光电性能，目前最常用的解决方法就是表面钝化。本文就以此作为切入点，以进一步提高碲镉汞探测器（主要针对光导型探测器）性能为目的，对碲镉汞材料表面、碲镉汞/钝化膜界面以及碲镉汞表面微光学元件进行了比较深入的研究。 首先引入碲镉汞表面控制器件─“栅控结构”光导探测器来模拟探测器表面/界面状态对器件光电性能的影响，通过外加栅压施加的电场实现对碲镉汞表面载流子浓度、迁移率以及材料有效少数载流子寿命的定量连续控制。基于表面层的多层分布模型，建立了全面系统的栅控光导探测器的物理模型，在对n型碲镉汞长波光导探测器进行仿真后发现，传统阳极氧化层/ZnS双层钝化的组合会造成HgCdTe表面载流子的过积累，在提高少子寿命的同时也会降低器件的表面电阻，结果反而会造成探测器性能的下降，传统光导探测器性能还有改进的空间。 为了进一步研究碲镉汞的表面钝化，针对目前两种最常用的ZnS薄膜生长方法，热蒸发法和磁控溅射法，对两种方法生长在n型HgCdTe材料上的ZnS钝化膜进行表征与评价，分别采用SEM、EDX、XRD以及FTIR对两种ZnS钝化膜的形貌、元素组分、晶体结构以及光学性能进行了测试研究。 通过MIS器件来研究不同双层钝化膜系与HgCdTe界面的电学特性，分别制备了阳极氧化膜/ZnS（热蒸发）、阳极氧化膜/ZnS（磁控溅射）和CdTe/ZnS（热蒸发）三种钝化膜系作为绝缘层的n-HgCdTe MIS器件，自主搭建了低温探针台I-V测试系统和变温C-V测试系统，热蒸发法生长的ZnS介质膜绝缘的零偏暗电流达10-13A，采用磁控溅射生长的ZnS介质膜漏电流大，易击穿。C-V测试结果得到这三种双层钝化膜系的固定电荷密度分别在1.091012cm-2、1.211012cm-2和-3.01011cm-2左右，慢界面密度分别为Nh=1.271010cm-2eV-1、1.321010cm-2eV-1和Nh=1.071011cm-2eV-1。阳极氧化膜/ZnS（热蒸发）双层钝化膜的测试中从4MHz开始还观察到了高频C-V特性，其快界面态密度为4.21011cm-2eV-1。 基于器件仿真和钝化膜的研究结果，成功制备出了Cd组分x=0.23的n-Hg1-xCdxTe栅控结构长波光导探测器，器件的SdH振荡测试得到器件表面电子面密度在1.931012cm-2，实验上证明了HgCdTe表面载流子重积累现象的存在。利用改进的栅控光导器件测试系统对外加不同栅压条件下栅控器件的光电性能进行测试，信号电压和响应率性能的变化一致，器件的峰值响应率792.7V/W在-8.4V处取得，在浮栅条件下的响应率只有498.5V/W，传统器件工作条件并未将器件的最大性能发挥出来。通过噪声测试与器件仿真发现，栅控器件外加栅压后引入的附加器件噪声与表面载流子的浓度变化有关，进一步对器件作噪声频谱的测试，研究发现栅控器件的附加噪声主要来源于碲镉汞表面载流子数涨落引起的非基本1/f噪声。 最后，对在HgCdTe器件表面制备单片集成式微型透镜的工艺进行了初步摸索，提出了一种利用ICP-RIE干法刻蚀结合化学湿法腐蚀在CdZnTe衬底上制备折射型微透镜的方法，成功在CdZnTe衬底上制备了冠高达60μm的连续深浮雕折射型微透镜线列，透镜曲率半径均匀、冠高高、F数小，对红外光具有很强的会聚作用，并且与探测器芯片工艺兼容性好。