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脉冲激光沉积(PLD)碲镉汞(HgCdTe)薄膜材料结构特性的研究

刘玫  
【摘要】: 碲镉汞(Hg1-xCdxTe)是一种极其重要的红外辐射探测及热成像半导体材料。它具有其它材料不可比拟的优点:具有直接带隙,可以看成是HgTe和CdTe合成的赝二元半导体,随x变化,禁带宽度可以在-0.3到1.6 eV之间连续变化,几乎覆盖整个红外波段;具有大的光吸收系数,用其制备的红外探测器的内量子效率接近100%;电子、空穴迁移率高;本征复合机制产生长载流子寿命及较低的热产生率,允许器件在较高温度工作;与CdTe/HgTe晶格匹配好,可制备高质量外延异质结构;剩余杂质浓度可低于1014 cm-3;可掺杂成为p型、n型半导体等。但是长期以来,一直存在沉积速率过低,成本高、实验要求苛刻等缺点,制约了HgCdTe单晶薄膜的制备和广泛应用,使其难以满足多层、复杂薄膜沉积的需要和高质量器件工艺的要求。 本论文在实验上初步研究了脉冲激光沉积法(PLD)应用到HgCdTe薄膜的制备上的可行性。同时针对HgCdTe材料本身为红外材料,对红外激光吸收效率高的特点,采用具有高光束质量、窄脉冲宽度、稳定性好的近红外大功率YAG激光源直接打与所要制备的薄膜材料具有相同成分的高纯化合物靶的方法,加强了PLD技术与半导体工艺中前后工艺间的兼容性,为今后PLD法制备HgCdTe薄膜的实用化铺平道路。研究了PLD沉积薄膜的沉积机理,较系统地研究了实验参数的变化对薄膜生长的影响,获得了制备HgCdTe薄膜的最佳实验条件,并利用有限差分法和蒙特卡罗方法从理论上对实验结果进行了模拟。主要内容如下: 1.使用PLD方法制备HgCdTe薄膜具有:生长条件易于控制,生长温度低,成膜质量高等特点。针对这些特点,我们详细分析了脉冲激光沉积(PLD)技术的原理和在沉积过程中采用不同的制备条件,如:激光能量密度、衬底温度、气压和靶距对PLD过程的影响。 2.实验上,进行了不同衬底材料上生长HgCdTe薄膜。薄膜与衬底之间的晶格失配,热膨胀率和热传导率之间的差别都会影响到外延膜的质量。选取Al2O3(0001)、GaAs(100)和Si(111)三种衬底材料,实验结果证明,不同晶格结构的衬底材料会使薄膜在与衬底的交界面附近产生较大的畸变区;热膨胀失配导致薄膜内部具有较大的应力,薄膜容易发生起皮、脱落现象;热传导系数较大的材料作为衬底则会使沉积到上面的粒子具有较大的迁移率。经过实验测试结果对比,在Al2O3材料上外延生长的HgCdTe薄膜有较高的结晶和表面质量,薄膜的成分配比与靶接近,而沉积在GaAs和Si基底上的HgCdTe薄膜质量稍差。 3.靶与衬底之间距离变化会引起到达衬底表面的入射粒子的动能和空间分布的变化,从而引起制备的HgCdTe薄膜的结晶质量,成分结构和薄膜表面形貌发生变化,合适的靶与衬底之间的距离对于制备高质量的薄膜是一个重要的因素。在靶与衬底之间距离较近的条件下,闪锌矿立方结构的化合物SiTe4会出现,这可以部分缓解Si衬底与HgCdTe外延膜之间的晶格和热膨胀失配问题。 4.研究证明了衬底温度对衬底表面吸附粒子的动能和迁移率的影响。使用PLD方法制备的HgCdTe薄膜在100-200℃范围内,随衬底温度的升高,薄膜的结构和晶化程度不断得到改善。在200℃的衬底温度下所制备得到沿着(111)面择优生长的面心立方结构的HgCdTe单晶薄膜。当温度超过250℃,HgCdTe将变得不稳定并处于富Cd状态。 5.等离子体羽辉内烧蚀粒子飞向衬底这一过程中内能和平均动能会受到背景气体气压的影响。在不同气压影响下,粒子在衬底表面会具有不同的动能和表面的迁移率,从而影响薄膜的生长速率和成分结构。实验测试结果证明,在5×10~(-1)~5×10~(-3) Pa压强范围制得的HgCdTe薄膜有较高的质量。在5×10~(-2) Pa制得的HgCdTe薄膜质量最好,但是Hg的含量最少。 6.讨论了入射激光能量密度对烧蚀物颗粒的动能、密度的影响。实验结果表明,适当的激光能量使入射粒子能够具有较高的表面迁移率,进而影响制得薄膜的质量。入射激光能量会对HgCdTe薄膜的结晶质量,表面形貌,成分配比和电学性质方面造成影响。在激光能量为150 mJ条件下制得的HgCdTe薄膜结晶质量最好,表面平整,颗粒均匀,电阻率高且成分配比与靶最为接近。若能量超过200 mJ,入射粒子动能太大,则会使薄膜性质不稳定,质量变差。 7.建立能反映PLD技术的前两个阶段,等温膨胀和绝热膨胀阶段的动力学模型及基本方程,使用有限差分法对激光烧蚀靶材产生等离子体随时间的演化进行了模拟。得到了HgCdTe材料产生的等离子体中的主要的三种离子(Hg,Cd,Te)的具体演化规律;并根据实验工作参数,得到了薄膜厚度的空间分布和薄膜组分的分布特性。 8.使用Monte Carlo模拟方法对PLD制备HgCdTe薄膜形貌进行了分析模拟,并通过模拟给出了不同衬底温度下薄膜生长初始阶段的表面形貌变化。模拟结果表明,随着沉积温度的增加,岛的数目和粒子数都有明显的增加,而且形貌由无序逐渐向规则转变。当温度过高时,虽然岛与岛之间已出现明显的连接状态,接近连续膜结构,但是过高的温度会导致吸附粒子的溅射率升高,将影响薄膜的性能。 本论文主要由四部分内容组成。第一章简要介绍HgCdTe材料的性质及近期研究进展;第二章主要分析了脉冲激光沉积(PLD)过程的原理和特点以及在沉积过程中采用不同的实验参数对PLD过程的影响,还介绍了我们的主要实验仪器及主要测试手段;第三到七章以HgCdTe薄膜为主要研究对象,重点讨论了不同条件下(衬底材料、靶与衬底之间距离变化、衬底温度、气压、入射激光能量)HgCdTe薄膜的结晶、表面、组分等特性的变化,并对实验结果进行了详细的分析。第八章为利用有限差分法和蒙特卡罗法分别对等离子体随时间的演化规律和薄膜初始阶段的表面形貌变化进行的模拟分析。


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