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采用了多种方法对材料的性能进行测试表征。外延薄膜的组分和厚度测量采用傅里叶变换红外透射光谱方法,根据透射光谱中干涉峰的间距来计算薄膜厚度,根据吸收边的位置并结合带隙与组分的关系式来计算材料中的Cd组分。
材料参数和退火条件在表1中列出,表1中的Au掺杂浓度指的是生长时掺入的浓度,采用了不同的退火条件对Au掺杂材料进行处理。材料电学参数的测量采用变温霍尔的方法,温度变化范围为10~300 K,磁场强度为1 T。根据载流子浓度随温度的变化关系,可以得出不同退火条件下Au在HgCdTe材料中的激活能,测试结果如图2所示。图2中标明了每个样品的编号、退火条件和对应的激活能。退火条件包括富汞1(Hg-rich1)、富汞2(Hg-rich2)和富Te(Te-rich)退火,可以看到,在不同的退火条件下,杂质激活能也不同。
表 1 材料参数和退火条件
Table 1. Parameters of the samples used for annealing
Samples Cd composition Concentration of doped Au Annealing condition LPEV0958A 0.219 7 8.0E+16 Hg-rich1 LPEV0956 0.216 0 8.0E+16 Hg-rich1 LPEV1042C 0.217 7 1.0E+16 Hg-rich2 LPEV0978D 0.222 3 1.0E+16 Hg-rich2 LPEV1022D 0.218 7 1.0E+16 Hg-rich2 LPEV0804C 0.218 4 1.0E+16 Te-Rich 图 2 不同退火条件下的变温霍尔测试结果
Figure 2. Results of the temperature dependent Hall in different annealing conditions
材料中Au的分布采用二次离子质谱(SIMS)方法来测量。图3给出了经“富汞2”退火后材料中Au的分布,其中横坐标0的位置是材料表面,外延层的厚度为11 µm,大于11 µm的部分为衬底。可以看到Au在材料中的分布不均匀。
探测器光响应的测量采用黑体响应测量方法,实验装置如图4所示。探测器模块安装在液氮杜瓦中,500 K温度的黑体发出的红外辐射经调制盘照射在探测器光敏元上,调制盘频率为800 Hz,探测器输出的光电流信号送入锁相放大器,再经过前置放大器转换为电压信号,经数据采集模块由计算机读出。
为了研究器件的光响应特性,在探测器模块上制作了特定的结构,如图5所示。在图5中,挑选出九个相邻的光敏元,分别标记为D1~D9,每个光敏元上分别引出金属电极,这九个金属电极连接九个光敏元PN结的N区,PN结的P区作为公共端,通过这些金属电极来测试光敏元的光响应特性。表2给出了光敏元D1的黑体响应电压,测试时光敏元偏置电压为零,制备此器件的材料采用富汞2 (Hg-rich2)退火。可以看到,单独测量D1时,黑体响应电压为 1 119 µV。但是,如果在测试时分别将D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9对公共端短接,D1的黑体响应电压会发生明显的变化。例如,将D2对公共端短路,D1的黑体响应电压会从1 191 µV降低到707.9 µV,下降了441.1 µV。
表 2 光敏元D1的响应电压以及临近光敏的元的影响
Table 2. Response voltage of pixel D1 and the variations caused by the pixels nearby
Label of the pixel Test conditions Response voltage /µV D1 - 1 119 D2 is short-circuited 707.9 D5 is short-circuited 696.1 D3 is short-circuited 764.4 D7 is short-circuited 791 D4 is short-circuited 789.7 D8 is short-circuited 798.5 D6 is short-circuited 773.6 D9 is short-circuited 809.5 同样,表3列出了中心光敏元D6的响应电压,当D6周围的八个光敏元开路时,D6的响应电压为1 182 µV,如果将D6周围的八个光敏元全部对公共端短接,再测量D6的响应电压,测量值为94.7 µV,响应电压下降超过了一个数量级。
表 3 光敏元D6的响应电压以及临近光敏元的影响
Table 3. Response voltage of pixel D6 and the variation caused by the pixels nearby
Label of the pixel Test conditions Response
voltage/µVD6 - 1 182 D1-D5,D7-D9 are short-circuited 94.7 -
图2中,不同的退火条件是根据汞空位浓度与Hg分压的关系[9]来控制Hg蒸气压。退火条件“富汞1”是在较高的Hg蒸汽压下退火,材料中的Hg空位浓度为~1014/cm3,可以认为材料中的Hg空位已经被消除。退火条件“富汞2”是在较低的Hg蒸汽压下退火,材料中的Hg空位为~1015/cm3。在“富Te”退火条件下,由于Hg蒸汽压不足,材料中会有较高浓度的Hg空位(~1016/cm3)。可以看到,随着Hg蒸汽压的不同,材料中的杂质激活能也在变化,在较高Hg蒸汽压下退火,Au激活能为5~8 meV,与参考文献[10]中的结果一致。在较低的Hg压下退火,激活能为8~12 meV,这是因为材料中还存在低浓度的Hg空位,Hg空位的能级为10~20 meV,Au和Hg空位同时影响变温霍尔曲线,提高了表观的激活能。在富Te条件下退火,材料中Hg空位的浓度较高,相应的激活能也较高,为13.4 meV,表现为Hg空位掺杂为主导。
从图3的二次离子质谱(SIMS)测试结果可以看到,在低Hg压退火(Hg-rich2)材料中,Au的浓度为5×1015~2×1016/cm3,并且表面的浓度比较低,内部浓度比较高。这是因为,在退火过程中Hg原子从表面向内部扩散,引起Hg空位的浓度呈现梯度,进而导致与Hg空位相关联的Au原子也呈梯度分布。从图3中还可以看出,在材料表面0~1 µm的范围内,Au的浓度很高,浓度曲线上有一个明显的尖峰。这一尖峰的主要原因是Au原子容易在缺陷较多的地方聚集(吸杂效应),材料表面的缺陷和杂质含量相对较多,使得Au原子的浓度也较高。另外,在接近衬底的界面处(~11 µm),Au浓度曲线也出现了一个尖峰,这同样是由于界面处的杂质和缺陷引起的。在材料中1~10 µm的范围内,Au的平均浓度为8.6×1015/cm3。采用霍尔测试,同一样品在77 K温度下的霍尔浓度为1×1016/cm3,如果假定霍尔浓度约等于Au浓度和Hg空位浓度之和,则可以推断出材料中的Hg空位浓度处于一个比较低的水平,根据多轮实验的结果,采用上述的低Hg压退火,可以将Hg空位的浓度控制在1~2×1015/cm3。表2中的探测器,制备时采用的是低Hg压退火(Hg-rich2),将Hg空位浓度控制在较低的水平来提高少子寿命,并且可以保持合适的Au掺杂浓度。
从图5和表2的黑体响应测量结果可以看出,D2~D9这八个光敏元对D1有屏蔽作用。当测量D1的响应电压时,D1周围受光区域产生的光生载流子会扩散到D1形成光电流。如果光生载流子的扩散长度大于D1到D2的距离,那么当D2对公共端短接后,D2就会吸收附近的载流子,阻止这部分载流子向D1扩散,从而导致D1的光信号减小。从表2中还可以看出,与D1距离相同的光敏元对D1的屏蔽效果也相近,例如,D2、D5分别对公共端短接,所测得的D1的光电压信号基本一致。离D1越远,则屏蔽效果越小。例如,当D9对公共端短接后,D1的响应电压变化了309.5 µV,小于D2对公共端短接后的变化值411.1 µV。值得指出的是,D1与D9之间的中心距为141 µm,这表明材料中光生载流子的扩散长度很长。
在表3中,将D6周围的八个光敏元短接后,D6的黑体响应电压下降了一个数量级,这代表了面阵器件中单个光敏元真实的光响应,消除了载流子的横向扩散效应。可以根据实验数据来计算光敏元D6的量子效率。光伏型探测器的黑体响应率理论值(blackbody responsivity)可以表示为:
$$ {R}_{{\rm{bb}}}=\dfrac{{\displaystyle\int }_{0}^{{\lambda }_{c}}{R}_{\lambda }{[M}_{{\rm{e}}}\left(\lambda ,T\right)-{M}_{{\rm{e}}}\left(\lambda ,{T}_{0}\right)]{\rm{d}}\lambda }{\sigma {(T}^{4}-{T}_{0}^{4})} $$ (1-1) 式中:
${R}_{\lambda }=\eta {\rm{e}}\frac{\lambda }{hc}$ 为光谱响应率(spectral responsivity),$ \eta $ 为外量子效率;${M}_{{\rm{e}}}(\lambda ,T)$ 为黑体辐射出射度;$ \sigma $ 为斯特藩-玻耳兹曼常数;$ T $ 为黑体温度;$ {T}_{0} $ 为调制盘温度;$ {\lambda }_{c} $ 为探测器截止波长。外量子效率$ \eta $ 可以表示为光吸收效率$ {\eta }_{{\text{光}}} $ 和内量子效率$ {\eta }_{{\text{内}}} $ 的乘积:$$ \eta ={\eta }_{{\text{光}}}{\eta }_{{\text{内}}} $$ (1-2) 光吸收效率
$ {\eta }_{{\text{光}}} $ 可以表示为:$$ {\eta }_{{\text{光}}}={T}_{\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}}\cdot {(1-R}_{{\rm{surf}}})\cdot (1-{{\rm{e}}}^{-{\alpha }_{\lambda }\cdot t} ) $$ (1-3) 式中:
$ {T}_{\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{S}} $ 为杜瓦窗口(ZnS)的透射率,实测值为70%;${R}_{{\rm{surf}}}$ 为探测器芯片表面反射率,实测值为30%;$ {\alpha }_{\lambda } $ 为HgCdTe材料的吸收系数;$ t $ 为探测器吸收层的厚度,这里不考虑入射光的散射和多次反射的情况。假定内量子效率$ {\eta }_{{\text{内}}} $ 为常数,不随波长变化。根据公式(1)可以计算出探测器黑体响应率的理论预期值为:$$ {R}_{{\rm{bb}}}=2.331{\eta }_{{\text{内}}}(\mathrm{A}/\mathrm{W}) $$ (1-4) 同时,根据测量得到的D6的响应电压,以及实验装置的几何配置和测试参数,可以得到D6黑体响应率的实验值,结果为2.327 (A/W),将实验值与公式(4)的理论值相比较,可知探测器光敏元的内量子效率
$ {\eta }_{{\text{内}}} $ =99.8%,这表明D6周围的光生载流子基本全部被D6吸收转变为光电流,这也表明Au掺杂材料的少子扩散长度足够长,吸收区内的光生载流子几乎全部扩散到PN结区形成光电流。需要说明的是,在公式(1)中,采用的是理想化的一维模型,而实际的探测器是三维结构,并且材料的吸收系数、厚度、芯片表面反射率等参数在计算过程中也会引入误差,因此,建立更准确的模型并采用更精确的参数值会得到更准确的结果。作为对比实验,采用富Te (Te-rich)退火材料制备了器件,采用同样的实验装置和实验条件,器件的响应电压明显减小,D6响应电压(D6周围的八个光敏元开路)仅为60 µV,将D6周围的光敏元短接后,响应电压下降到43 μV,计算得到内量子效率为41%。
在甚长波器件制备中,材料组分控制在0.214~0.216,退火后的Au掺杂浓度控制在~1×1016/cm3,如果采用更高的Au掺杂浓度(大于2×1016/cm3),探测器的遂穿漏电增大,器件性能变差。如果Au浓度太低(小于5×1015/cm3),PN结的耗尽区展宽,产生复合电流增加,器件性能也会变差。
Au掺杂可以提高HgCdTe探测器的光响应率,此外还会影响探测器的暗电流和阻抗。验证了两种材料的长波红外焦平面器件,探测器A采用富Hg退火材料(Hg-rich2),探测器B采用富Te退火(Te-rich)材料,芯片钝化采用常规的ZnS/CdTe双层钝化,芯片与读出电路采用倒装焊互连。探测器A截止波长13.2 μm@77 K,优值因子
${R}_{0}A=0.27\;\Omega \cdot {{\rm{cm}}}^{2}$ ,峰值探测率$ {D}^{*}=4.3 \;{\rm{cm}}\cdot {{\rm{H}}{\text{z}}}^{1/2}/{\rm{W}} $ 。探测器B截止波长为12.2 μm@77 K,优值因子$ {R}_{0}A=1.69\; \Omega \cdot {{\rm{cm}}}^{2} $ ,平均峰值探测率为$ {D}^{*}=2.9 \;{\rm{cm}}\cdot {{\rm{H}}{\text{z}}}^{1/2}/{\rm{W}} $ 。可以看到,这两个截止波长接近的探测器,波长越长,阻抗越低,暗电流越大,表面钝化越困难。尽管探测器A的阻抗低,但是其峰值探测器更高,说明Au掺杂确实提高了器件的内量子效率。探测器的暗电流除了与材料少子寿命有关,在很大程度上还取决于器件工艺,例如离子注入、表面钝化[11-12]、芯片倒焊等。但器件的光响应则主要取决于材料的光吸收系数和光生载流子的扩散过程。因此,Au掺杂材料中少子扩散长度的增加对器件光响应的影响更为明显。但是器件整体性能取决于响应率和暗电流两个方面,因此需要在器件工艺方面进行优化,并结合材料的Au掺杂工艺,才能从整体上提高器件性能。通过优化工艺,采用文中的Au掺杂材料和富Hg退火技术,研制了320×256规模的甚长波红外焦平面探测器,光敏元中心距为30 µm,60 K温度下截止波长为14.8 μm,平均峰值探测率为8.4×1010 cm·Hz1/2/W,有效像元率为97%。
Photoelectric characteristics of HgCdTe with Au-doping
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摘要: Au掺杂是改善光伏型HgCdTe红外探测器性能的一种技术途径,通过Au掺杂来取代HgCdTe材料中的本征的Hg空位,可以提高材料的少子寿命和少子扩散长度。采用液相外延技术生长了Au掺杂的HgCdTe外延材料,Au的掺杂浓度为~8×1015/cm3,通过富Hg退火技术来抑制材料中的Hg空位,Hg空位的浓度控制在1~2×1015/cm3。变温霍尔测试表明,退火材料中的受主杂质能级为8~12 meV,并且与退火条件相关。采用Au掺杂材料和离子注入成结工艺制备了截止波长为14 μm的甚长波红外焦平面器件,测试结果显示,用Au掺杂取代Hg空位掺杂,可以显著提高红外探测器的光响应率,探测器的内量子效率可以达到95%以上。
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关键词:
- HgCdTe液相外延 /
- Au掺杂 /
- 少子扩散长度
Abstract: Au-doping is one of the approaches to improve the performance of HgCdTe photovoltaic infrared detectors. The minority-carrier lifetime and diffusion length in HgCdTe could be improved by replacing the intrinsic Hg-vacancy with the doped Au. The Au-doping HgCdTe films were grown by liquid phase epitaxy method. The concentration of the doped Au was about 8×1015/cm3. A Hg-rich annealing technique was applied to suppress the Hg vacancies in the film and the Hg-vacancy concentration of 1-2×1015/cm3 could be achieved. The acceptor energy level in the annealed material was 8-12 meV measured by the temperature dependent Hall method, which was related to the annealing condition. The IR Focal Plane Array(IRFPA) of 14 µm cut-off wavelength was fabricated using the combination of Au-doping material and Ion-implanting technique. The results show that the replacement of Hg-vacancy with Au will greatly increase the responsivity of the detector and the inner quantum efficiency of the detector could exceed 95%. -
表 1 材料参数和退火条件
Table 1. Parameters of the samples used for annealing
Samples Cd composition Concentration of doped Au Annealing condition LPEV0958A 0.219 7 8.0E+16 Hg-rich1 LPEV0956 0.216 0 8.0E+16 Hg-rich1 LPEV1042C 0.217 7 1.0E+16 Hg-rich2 LPEV0978D 0.222 3 1.0E+16 Hg-rich2 LPEV1022D 0.218 7 1.0E+16 Hg-rich2 LPEV0804C 0.218 4 1.0E+16 Te-Rich 表 2 光敏元D1的响应电压以及临近光敏的元的影响
Table 2. Response voltage of pixel D1 and the variations caused by the pixels nearby
Label of the pixel Test conditions Response voltage /µV D1 - 1 119 D2 is short-circuited 707.9 D5 is short-circuited 696.1 D3 is short-circuited 764.4 D7 is short-circuited 791 D4 is short-circuited 789.7 D8 is short-circuited 798.5 D6 is short-circuited 773.6 D9 is short-circuited 809.5 表 3 光敏元D6的响应电压以及临近光敏元的影响
Table 3. Response voltage of pixel D6 and the variation caused by the pixels nearby
Label of the pixel Test conditions Response
voltage/µVD6 - 1 182 D1-D5,D7-D9 are short-circuited 94.7 -
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