张 舟，陈慧卿，朱西安

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

HgCdTe作为制备红外焦平面探测器的首选材料具有禁带宽度可调，探测光谱范围广泛，载流子寿命长，电子迁移率高等优点［1］。由HgCdTe材料制备的红外探测器具有超高真空生长环境，低温生长等特点，在过去的五十多年中，HgCdTe红外探测器在医疗、生态、军事方面等领域发挥了重要作用［2］。目前已发展到了第三代红外焦平面探测器，器件需要具备更大的焦平面规模以及红外多光谱同时集成的探测能力［3］，工作重点也从中短波向着长波转移。长波红外探测器相比中短波传播距离更长，探测范围更广［4］，但是长波探测器组件相比中短波来说具有较低的动态电阻，较大的暗电流，极大地制约了长波HgCdTe红外探测器的性能。过去的数十年中，掺As长波碲镉汞材料比同为P型材料的汞空位材料少子寿命更高，暗电流更低而受到广泛关注，已经成为制备长波红外焦平面器件的一种新的材料制备技术。

本文采用N型长波碲镉汞材料通过As离子注入掺杂工艺结合退火工艺，建立退火条件，对退火后As激活情况进行分析研究并取得了预期的效果。

2 实验

采用液相外延技术在碲锌镉衬底材料上外延掺In碲镉汞材料，形成N型层，其中镉组分x在0.2～0.25之间，截止波长约为9.4 μm。载流子浓度为5×1014/cm3～1×1015/cm3，迁移率约为1×105cm2/(V·s)。利用离子注入技术在材料上注入As离子，砷离子注入的能量为360 keV，剂量为2×1014/cm2。图1是平面形碲镉汞P-on-N结的剖面示意图。

图1 碲镉汞P－on－N结示意图

离子注入后将掺As碲镉汞材料送入石英管进行汞气氛下的退火。整个退火过程为高温退火，高温退火要求温度高于400℃，完成砷离子的电激活并消除注入引起的晶格损伤。退火在退火炉中进行。退火设备如图2所示。利用霍尔测试的方法，测量经过退火处理后载流子浓度类型及其浓度和迁移率，通过二次离子质谱仪(SIMS)测试注入后及退火后As离子在碲镉汞层的浓度分布，初步分析As离子激活情况。

图2 退火工艺示意图

为了进一步确认As离子是否激活，通过霍尔测试的方法，对比掺As碲镉汞材料和未掺As碲镉汞材料在同一高温退火条件后载流子浓度类型及其浓度和迁移率。

3 结果与讨论

3.1 高温退火对As离子分布的影响

首先研究了碲镉汞材料在离子注入As离子后，As离子在碲镉汞材料中的分布浓度及注入深度，如图3所示。可以看出，As离子的浓度约为1.5×1018/cm3，注入后结深约为 0.5 μm。

图3 离子注入后As离子在碲镉汞材料中的分布

经过高温退火后，再次研究As离子在碲镉汞材料中的分布情况，如图4所示。

图4 高温退火As离子在碲镉汞材料中的分布

测试结果表明:经过高温退火后As离子结深约为1 μm。对比高温退火前和高温退火后的两次SIMS测试结果，我们能够很清楚的发现，掺As碲镉汞材料经过高温退火后，As离子发生纵向扩散，较均匀的分布在表层1 μm范围内。

3.2 确立高温退火条件，分析As离子激活情况

将高温退火时材料处温度设定为420℃，改变汞源处温度及退火时间，通过霍尔测试测量退火结果，如表1所示。

表1 不同退火处理条件及测试结果

当汞源温度在420℃时，退火时间无论是1 h还是6 h，退火后的材料的类型始终维持为N型不变;当汞源温度达到530℃，退火管内汞蒸汽压增大至10个大气压时，碲镉汞薄膜材料退火后由原来的n型转为P型，说明As开始激活。重复片号EX-C1的高温退火条件，通过霍尔测试退火结果，如表2所示。

表2 同一退火处理条件测试结果

测试结果表明不同的掺As碲镉汞材料在此退火条件下导电类型成为P型。从而可以判定在高温下As激活的目的已经初步达到，确定此条件为高温退火条件。

为了进一步确定退火后的材料P型是由As激活所致，而不是汞空位引起的，对比掺As碲镉汞材料和未掺As碲镉汞材料在同一高温退火条件后载流子浓度类型及其浓度和迁移率。如表3所示。

表3 霍尔测试数据对比

可以发现，未经过注入As离子的碲镉汞材料在相同的高温退火条件后，导电类型维持N型无变化。此实验进一步说明As在材料中已经被激活，而且高温退火后的P型测试结果并非是汞空位造成的。

3.3 As掺杂的退火激活研究

As是一种两性掺杂元素，既可以作为浅施主置于Hg位，又可以作为浅受主置于Te位［5］。在离子注入As后，As很难占据Te位形成受主从而获得P型碲镉汞材料。离子注入后的n型碲镉汞材料能否获得P型电学特性很大程度上依赖于退火方式和退火条件。理论表明，对于结构相的稳定和转变，应力或气压的控制乃是重要的和较有效的方法［6－7］。

对于富碲As掺杂的液相外延材料需要400℃左右的富汞高温热处理才能实现100%的As受主激活［8］。石英管内的汞气压随着退火温度的升高而增大，退火后部分As会转化成AsHg－VHg或AsTe受主。测试结果显示，在高汞压下，As原子占据Te位的数量大于占据汞位的数量，载流子类型呈现P型，已经被激活。在420℃退火温度下，由于汞原子易于离开汞位而形成汞空位，所以420℃下的汞压不能抑制汞原子在其格点上，导致部分汞原子逃离其格点，由于Te的能级要高于Hg的能级，因此As原子更容易占据汞位，导致退火后多数载流子为电子，呈现N型电学性能。但是当汞源温度为530℃时，高的汞压抑制了汞原子的外逃，导致替代Te位的As原子形成的空穴多于替代Hg位形成的电子，使得载流子浓度呈现P型，从而使得As原子激活。

4 结论

通过对采用离子注入工艺实现As掺杂的长波碲镉汞材料在汞气氛中进行退火，研究汞压、温度及时间等条件对碲镉汞As激活的影响，研究发现，富汞高温热处理是实现碲镉汞As激活的关键因素。

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