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窄禁带半导体Hg1-xCdxTe材料可以看成HgTe和CdTe的化合物,为直接带隙材料且禁带宽度可调,调节范围可覆盖整个红外波段;同时,具有光学吸收系数大、量子效率高、非平衡载流子寿命大、电子空穴迁移率高等优点,一直以来作为红外探测中一种始终无法被取代的材料,在红外探测中发挥着重要的作用。HgCdTe光导探测器由于制备工艺较为简单,在红外探测中得到了广泛的应用。随着人们对红外探测器性能要求越来越高,如何采用新的工艺来制备出更高性能的HgCdTe光导探测器以满足民用及军用要求是我们亟需解决的问题。本文以表面处理工艺为主线,从表面抛光减薄和阳极氧化两个方面出发,围绕制备高响应率、高探测率的HgCdTe光导探测器这一目标,研究了不同表面抛光减薄工艺后HgCdTe材料的表面形貌、表面损伤少子寿命、迁移率谱以及氧化膜的电学光学特性等问题。本论文取得的主要成果及结论如下:
从溴与Hg、Cd、Te的反应原理出发,研究了利用溴-甲醇机械化学抛光工艺取代溴-乙醇腐蚀工艺。采用正交试验的方法,以较少的实验次数获得了完整的实验效果,获得了最佳抛光参数组合:溴-甲醇浓度比为1∶260,转盘转速为40转/min,抛光时间为10min。以此参数对材料进行表面抛光,通过XPS测试材料表面元素含量,测试结果表明采用溴抛光工艺获得的材料表面富Te情况得到改善,表面化学失配比下降。利用SEM、AFM测试材料表面平整度,测试结果表明材料表面的不平整度由溴腐蚀的30nm降低至10nm。利用XRD测试材料的衍射图样,衍射峰半高全宽表明材料的表面损伤基本消除。
发展了一种表面损伤情况的表征方法,即采用Ar+对HgCdTe抛光表面进行浅刻蚀后观察刻蚀表面的方法,直观地观察到了抛光后表面的剩余损伤。此方法简单有效,并与XRD分析结果相吻合。
利用微波反射法测试了溴抛光及溴腐蚀工艺所得材料的少子寿命。少子寿命变温曲线表明溴抛光工艺能够有效减少材料的表面缺陷,降低材料表面复合速度,提高表面复合寿命,从而使得材料的少子寿命得到提高。
利用霍尔效应测试了溴抛光及溴腐蚀工艺所得材料的电子浓度、电导率以及迁移率的变化情况,根据迁移率谱分析方法拟合得出了材料表面电子浓度和体电子浓度随迁移率的变化情况。拟合结果表明,材料的表面电子浓度由1.13×1015cm-3降低至6.6×1014cm-3。
深入研究了HgCdTe材料的阳极氧化,从恒流氧化和恒压氧化阶段氧化膜的生长原理的出发,详细研究了恒流氧化结束时达到的电压值以及恒压氧化阶段的时间对生长的氧化膜的电学及光学性质的影响。对不同氧化电压对材料少子寿命、电阻率的影响确定了最佳氧化电压值:对于溴抛光的样品,最佳电压值为13.5V;对于溴腐蚀的样品,最佳电压值为15V。根据不同恒压时间对氧化膜折射率特性、材料电阻率的影响确定了最佳恒压时间:对于溴抛光及溴腐蚀的样品,最佳恒压时间均为3min。最终确定了溴抛光样品的最佳阳极氧化参数为:恒流氧化至13.5V,然后恒压3min;溴腐蚀样品的最佳阳极氧化参数为:恒流氧化至15V,然后恒压3min。
针对HgCdTe材料的阳极氧化进一步进行了二次阳极氧化的研究工作。对溴腐蚀和溴抛光的样品均进行了研究,少子寿命测试结果表明二次氧化能够减少表面态密度,降低表面复合速度,提高表面复合寿命,增大少子寿命。椭偏仪测试结果表明,二次氧化能略微提高氧化膜的折射率。EDX测试结果表明,二次氧化膜含氧量更高,二次氧化能够更好的饱和表面悬挂键。此外,所有测试结果均表明,二次氧化对溴腐蚀样品生成的氧化膜性能提高较明显,而对溴抛光样品生成的氧化膜性能提高不明显,但是,即使经过二次氧化,溴腐蚀样品生成的氧化膜在光学、电学方面的性能仍低于溴抛光样品生长的一次氧化膜的性能。
最后,根据前述研究中所确定的溴-甲醇抛光参数以及阳极氧化参数制备了HgCdTe中波及长波光导器件。两类器件的响应率和探测的率测试结果均表明,采用前述工艺制备的器件在响应率和探测率方面均有较大提高,且器件的均一性较好,每轮器件中性能好的器件所占比例较高,能够以更少的人力物力获得更多性能更好的器件。