Effect of Material Morphology on the Performance of HgCdTe Infrared Focal Plane Devices
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摘要: 碲镉汞材料表面的粗糙度对钝化膜层的质量、接触孔的光刻与刻蚀都有着显著的影响，研究其表面的粗糙度对器件性能的影响具有重要意义。在本文中，我们分别研究了碲镉汞的小平面形貌和台阶形貌对器件性能的影响，以及不同表面粗糙度的碲镉汞材料对器件制备工艺和最终性能的影响。研究表明，随着材料表面粗糙度的增加，钝化层的质量下降，接触孔的均匀性下降，且接触孔的形貌变差，I-V性能下降，最终导致器件的响应非均匀性增加，盲元数增加。Abstract: The roughness of material surfaces has a significant impact on the quality of passivation films and the lithography and etching of contact holes. Therefore, studying the influence of the surface roughness of materials on the performance of HgCdTe infrared focal plane devices' is important. In this study, we separately evaluated the influence of the facet morphology and step morphology of mercury cadmium telluride on the performance of the device and the influence of mercury cadmium telluride materials with different surface roughness on the preparation process and final performance of the device. Studies have shown that as the surface roughness of the materials increases, the quality of the passivation layers decreases, uniformity of the contact holes decreases, morphology of the contact holes deteriorates, and I-V performance is degraded, eventually leading to an increase in the non-uniformity of the device responses and an increase in the blind pixel rate.
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0. 引言
碲镉汞由于其强大的红外吸收，可调节的波长灵敏度以及良好的半导体性能，几乎是红外探测器应用的理想材料。碲镉汞材料的质量是好器件的基础和保证。表面形貌是衡量外延材料质量的重要指标之一[1]。衬底晶向对液相外延表面形貌的影响机理如图 1[1]所示（为了更清晰地展示机理，图中细节做了放大处理）。采用液相外延的方法在碲锌镉的（111）面上生长碲镉汞薄膜。其中碲锌镉衬底的晶向直接决定着碲镉汞的表面形貌。当衬底晶向为（111）晶向，且无偏差时，碲镉汞外延层的表面呈原子级平面，既无小平面也无台阶；当碲锌镉的晶向偏差＜0.1°时，碲镉汞外延层的表面由许多个（111）晶向的小平面组成；当晶向偏角为0.1°~2°时，碲镉汞外延层的表面形貌呈台阶状结构，且偏离程度越大，生长台阶变的越致密，并且生长模式变为台阶聚集模式。这意味着生长原子很容易积聚在（111）晶面台阶上，并且膜可以逐层生长以稳定地再现台阶形态而没有应力积累，因此台阶状生长并不会引入更多的材料缺陷及位错密度。当晶向偏角＞2°时，台阶又将消失[1-3]。
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根据以上理论可知，虽然台阶形貌不会影响碲镉汞材料的晶体质量，但却会对器件工艺提出更多挑战，例如钝化、光刻、刻蚀等工艺。材料表面粗糙度与器件的表面状态有关，尤其会影响CdTe/ZnS的钝化效果，并最终影响器件的表面漏电流和光学信号的传输特性。因此本文将对粗糙度对器件性能影响进行研究。
1. 实验
不同粗糙度的材料以完全相同的器件工艺进行流片。器件结构示意图如图 2所示。在器件制备过程中，使用白光干涉仪测试液相外延HgCdTe材料的形貌及表面粗糙度。使用共聚焦显微镜分别测试样品a、b、c、d、e、f的接触孔的尺寸，深度。每个样品均匀地随机选取测试11个点。使用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）分别测试样品a、b、c、d、e、f的孔底形貌。使用半导体参数仪测试器件的I-V曲线及R-V曲线。使用红外焦平面参数测试系统对器件的性能参数进行测试。
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图 2 碲镉汞焦平面器件的结构示意图Figure 2. Schematic diagram of the structure of the HgCdTe focal plane device2. 结果与讨论
2.1 材料形貌及对接触孔刻蚀均匀性的影响
材料形貌的显微图片如图 3所示。从图 3中可以看出，样品a、b、c属于小平面形貌，说明衬底的晶向偏差＜0.1°，且粗糙度逐渐增加，分别为2.773 nm，17.78 nm，43.13 nm，样品d、e、f属于台阶形貌，说明衬底的晶向偏差0.1°~2°，样片表面粗糙度逐渐增加，分别为14.31 nm，65.18 nm，111.01 nm。其中样品b和d的粗糙度接近。
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图 3 样品a、b、c、d、e和f的材料形貌显微照片Figure 3. Photomicrographs of material topography, a, b, c, d, e, and f使用共聚焦显微镜分别测试样品a、b、c、d、e、f的接触孔的尺寸，深度如图 4所示。从图 4可以看出，样品a的接触孔尺寸和深度的非均匀性最好，随着材料表面粗糙度的增加，接触孔尺寸和深度的非均匀性逐渐增加。如表 1所示，样品a的接触孔平均尺寸为3.84 μm，平均深度为0.78 μm，最接近接触孔设计尺寸4.0 μm和最佳接触孔深度0.8 μm，随着样品粗糙度的增加，接触孔的平均尺寸和平均深度均减小，粗糙度最大的样品f的接触孔尺寸减小到2.97 μm和0.59 μm。孔底形貌如图 5所示，样品a的接触孔孔底侧壁陡直性非常好，且孔底平滑无生成物。样品b和d的侧壁陡直性较好，但是孔底形貌粗糙，有细小颗粒生成物。随着样品表面粗糙度的增加，孔底生成物逐渐增多，且侧壁也逐渐粗糙。样品f的接触孔孔底有较多、较大颗粒的生成物。
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图 4 样品a、b、c、d、e和f接触孔的尺寸与深度的非均匀性Figure 4. Non-uniformity of contact hole size and depth of samples a, b, c, d, e and f表 1 样品粗糙度与接触孔相关参数和器件响应非均匀性的关系Table 1. The relationship between sample roughness and contact hole related parameters and device response non-uniformitySample Roughness
/nmAverage size
/μmNon-uniformity
of size/%Average depth
/μmNon-uniformity
of depth/%Non uniformity
of response/%a 2.77 3.84 4.32 0.78 4.67 2.97 b 17.78 3.78 12.93 0.77 7.18 3.64 c 43.13 3.41 38.73 0.69 24.68 7.78 d 14.31 3.73 15.04 0.75 9.94 3.71 e 65.18 3.12 52.88 0.61 41.27 10.58 f 111.01 2.97 89.43 0.59 52.07 15.25 ![]()
图 5 样品a、b、c、d、e和f接触孔的SEM形貌图Figure 5. SEM topography of contact hole of samples a, b, c, d, e and f这是由于材料表面的粗糙度会影响不同区域光刻胶的厚度，在山谷或者台阶处光刻胶厚度较厚，在后续接触孔显影的过程中，相同的显影条件下，光刻胶较厚的地方易显影不充分，最终导致光刻接触孔尺寸较小，从而影响光刻接触孔尺寸的均匀性。
在接触孔刻蚀的过程中，刻蚀剂不断与碲镉汞材料进行反应，该过程不断有生成物生成。当接触孔尺寸较小时，刻蚀剂不能顺利进入，反应后的生成物也不能及时从刻蚀图形表面排出，就会聚积在图形表面附近，甚至会重新沉积在图形上。由于生成物一般不能与反应气体继续发生反应，聚积在图形表面会阻止刻蚀过程的继续进行，影响刻蚀形貌和速率。这些刻蚀生成物一般为聚合物，残留在器件接触孔里会严重影响器件的性能，成品率及稳定性[4-5]。
从以上的分析中发现，材料表面粗糙度影响接触孔尺寸、深度、形貌非均匀性的主要原因为：
1）材料表面的粗糙度会导致钝化膜层的厚度不均匀，最终导致接触孔刻蚀深度不均匀。
2）材料表面粗糙度会极大地影响接触孔的光刻及刻蚀后接触孔的质量。当材料表面粗糙度较大，部分区域光刻胶较厚，胶厚的区域易使得光刻图形失真，最终导致部分接触孔的尺寸较小。后续接触孔刻蚀工艺中，在使用同样的刻蚀条件下，小尺寸接触孔的刻蚀生成物输出较为困难，导致刻蚀生成物较多，刻蚀速率较慢，从而使得接触孔深度较小，孔底形貌变差。
3）厚的光刻胶边缘会因为高温收缩而变倾斜，从而导致接触孔不再陡直[6]。从而使得电极有效接触面积不同，接触电阻不同，最终会影响器件响应非均匀性。
2.2 材料形貌对碲镉汞器件I-V与R-V曲线的影响
使用半导体参数仪对碲镉汞器件的电学性能进行表征。得到了在77 K温度下碲镉汞红外探测器的I-V与R-V曲线（加载电压范围为－500~100 mV）。如图 6所示，对于样品a和样品b，反向平坦区为－500 mV，零偏阻抗分别为140 MΩ和71 MΩ，样品c的反向平坦区为150 mV，零偏阻抗为8.21 MΩ，样品d的反向平坦区为370 mV，零偏阻抗为62 MΩ，样品e的反向平坦区为180 mV，零偏阻抗为2.47 MΩ。样片f的I-V曲线没有反向平坦区，零偏阻抗达到最小值，为0.567 MΩ。由以上结果可知，随着材料粗糙度的增加，器件I-V曲线的反向平坦区逐渐减小，零偏阻抗也逐渐减小。具体原因分析如下：
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图 6 样品a、b、c、d、e和f的I-V和R-V曲线Figure 6. I-V and R-V curves of samples a, b, c, d, e and f零偏阻抗面积乘积（R0A）是衡量探测器性能的重要指标，而决定结特性好坏和R0A值大小的是p-n结的暗电流机制[7]。光伏器件的暗电流归纳起来主要有以下几种：扩散电流、产生-复合（g-r）电流、陷阱辅助隧穿电流、带间隧穿和表面漏电电流[8-14]。根据之前的分析，碲镉汞原子可以逐层生长以稳定地再现台阶形态而没有应力积累，因此台阶状生长并不会引入更多的材料缺陷及位错密度。为了验证这一理论，更精确的暗电流分析，我们选取样品a和f，进行位错腐蚀。位错腐蚀图如图 7所示（放大倍数为500倍）。从图中可知，样品a和f的位错密度相似，分别为：1.19×105 cm－2和1.8×105 cm－2，这表明台阶状形貌不会引入过多的材料缺陷或者位错密度。因此，影响器件暗电流水平的是器件的制备工艺，而与材料无关。
另外，样品a、b、c、d、e和f是以完全相同的器件工艺条件制备的。因此，样品a、b、c、d、e和f的扩散电流、产生-复合（g-r）电流、陷阱辅助隧穿电流、带间隧穿应该是一致的。但是由于粗糙度钝化质量的影响很大，因此现有的工艺条件下，表面漏电是影响器件（a~f）I-V曲线变化的关键因素。而钝化质量的好坏直接决定了表面漏电的严重程度，从而决定着器件的I-V及R-V特性[15-16]。
本次实验中，碲镉汞器件采用CdTe/ZnS薄膜双层钝化，钝化膜层的生长的质量会受到多种因素的影响，包括碲镉汞的表面粗糙度，钝化膜层与碲镉汞的粘附系数，碲镉汞与钝化膜层之间热膨胀系数（CTE）的差异以及钝化膜的厚度等。本文中，我们只研究HgCdTe表面粗糙度对CdTe/ZnS钝化层的影响。表面粗糙度对薄膜的影响主要有扩散效应、阴影效应和再发射效应（ZnS的粘性非常低）。其中扩散效应的机理为：溅射出来的ZnS原子由于保留了足够的能量以维持在表面上的扩散，一部分吸附原子在凝聚过程中所获得的动能足够这个原子从初次接触点跳过几个晶格位点，一部分再蒸发，一部分落入势能谷底，被表面吸附，最终凝结在衬底表面。阴影效应的机理为：衬底表面上较高的区域会阻止溅射原子到达表面上较低的区域。溅射沉积过程中，溅射出的原子具有角度分布，因此阴影效应是活跃的。这将导致衬底表面上山丘处的钝化层薄膜以衬底表面上山谷处的钝化层薄膜为代价生长，从而导致衬底表面上山丘和山谷处之间的ZnS粒子通量的竞争。这种竞争最终会导致更严重的丘状表面，因为山谷处沉积的ZnS粒子很少或者没有。再发射效应为：由于阴影效应而形成的山丘可能会因沉积过程中ZnS粒子的重新发射而受到阻碍。再发射效应允许粒子在它们沉积到衬底表面上的适当位置之前“反弹”。重新发射的粒子用于改变入射在衬底表面上的整体ZnS粒子通量，从而使得先前被遮蔽的山谷处有ZnS粒子沉积。阴影效应和再发射效应示意图如图 8所示[17-18]。
通过以上分析可知，扩散效应和再发射效应会使得薄膜表面趋于平滑，而阴影效应则使薄膜表面趋于粗糙。所以，薄膜的生长过程就是平滑机制与粗糙机制之间的竞争。对于小平面形貌，扩散效应占优势[17-18]。对于台阶形貌，再发射效应和阴影效应占优势，阴影效应使得台阶侧边原子不易被钝化，而由于碲镉汞表面Hg-Te键较弱，所以决定了溅射原子能量不能较高，因此再发射效应也被限制，因而钝化原子也不能反复再发射而导致死角部分原子不能被钝化。另外一方面，粗糙度不仅影响钝化层的致密性，也使得HgCdTe表面的比表面积相对较大，裸露的表面原子数目也较多，增加了材料表面的悬挂键，最终会导致表面固定电荷或者界面态较多，在带隙中更易引入复合能级，使得器件暗电流增大，阻抗降低。因此粗糙度为0.3 nm的样品a表面，扩散效应占优势，原子更易于迁移、聚集，形成更为致密的钝化层薄膜，钝化效果越好，因此对于样品a制成的器件的零偏阻抗最高，为171 MΩ。对于粗糙度为17.789 nm和14.317 nm的样品b和d，阴影效应占主导作用，钝化原子会倾向于沉积在山丘上，且山丘的存在不利于原子的迁移与聚集，因此钝化层薄膜的致密性较样品a相比较差，因此样品b和d的零偏阻抗分别减小为71 MΩ和62 MΩ，但是由于沉积在山丘上需要额外的能垒，因此部分原子会逐渐移向山谷间，最终导致钝化层总体来说还算较为致密。随着表面粗糙度的进一步增加，对于c，平均43.131 nm的粗糙度，钝化原子会直接沉积在山谷间，且较高、较密集的山丘完全阻碍了钝化原子的迁移与聚集，导致钝化膜层的致密性进一步下降，使得器件零偏阻抗下降至8.21 MΩ。随着台阶高度越来越高，例如e、f（台阶高度0.3 μm），台阶高度完全阻碍了原子的迁移与聚集，最终影响钝化膜层的致密度，更有甚者，台阶与台阶之间形成“死角”，即使ZnS的粘附系数很低，可以再发射。但是由于台阶太重，一次再发射之后，粒子能量已经消耗殆尽，不能进行再次发射。因此，粒子的能量并不足以使其运动到死角位置，因此钝化的效果变差，器件零偏阻抗降低至0.5 MΩ。
0.3 nm扩散效应占主导因素，能形成更致密的钝化层薄膜。随着粗糙度增加至17.78 nm，阴影效应占主导因素，钝化膜生长过程中，被溅射粒子更倾向于沉积在山丘顶端，但是由于山丘需要额外的能垒，因此部分原子会沉积在山谷间，薄膜的致密性虽较差，但总体还算致密。随着薄膜的粗糙度的进一步增加，原子会直接沉积在谷底，由于台阶高度一度达到了0.3 μm，钝化层原子不能完全覆盖碲镉汞，因此表面漏电增加。
2.3 粗糙度对碲镉汞器件性能的影响
用红外焦平面参数测试系统对器件的性能参数进行测试，碲镉汞器件的盲元图如图 9所示。对于小平面形貌来说，样品a、b、c的盲元率随着样品粗糙度的增加由0.15%增加至1.26%，响应非均匀性由2.97%增加至7.78%。对于台阶形貌来说，样品b、c、d的盲元率随着样品粗糙度的增加由0.64%增加至3.04%，响应非均匀性由3.71%增加至15.25%。且所有样品的盲元均以过热盲元为主。
根据以上分析，材料表面的粗糙度对器件影响最大的主要是钝化层质量，接触孔光刻及刻蚀，其中，较大的样品表面粗糙度所导致的接触孔尺寸、深度、形貌、陡直性的不均匀，均会导致电极接触面积的不同，从而使得接触电阻不同，最终导致器件响应非均匀性较高。如表 2所示，器件a~f的响应非均匀性随着样品表面粗糙度的增加而增加。另外，如2.2分析可知，较大的样品表面粗糙度会导致钝化层质量较差，暗电流较大，从而噪声过大，最终形成过热盲元。因此如图 9所示，随着样品表面粗糙度的增加，器件的盲元率也逐渐增加，且主要以过热盲元为主。
表 2 样品a、b、c、d、e和f的粗糙度、盲元率和响应非均匀性Table 2. Roughness, blind pixel rate and response non-uniformity of sample a, b, c, d, e and fSample Roughness
/nmBlind pixel rate/(%) Non uniformity
of response/%a 2.773 0.15 2.97 b 17.789 0.73 3.64 c 43.131 1.26 7.78 d 14.317 0.65 3.71 e 65.189 2.31 10.58 f 111.012 3.04 15.25 3. 结论
详细分析了材料表面形貌对钝化质量、对接触孔光刻工艺、刻蚀工艺的影响，最终导致对器件性能的影响。随着材料表面粗糙度由2.7 nm增加到111.0 nm，器件的零偏阻抗由140 MΩ降低至0.56 MΩ，器件盲元率由样品a的0.15%增加到样品f的3.04%，响应非均匀性由2.97%增加到15.25%。由样品a和f判断出，台阶状形貌不会在材料内部引入更多的缺陷和位错。影响器件性能的主要原因是材料表面粗糙度。另外，本文为器件制备之前的材料挑选提供了参考，根前文对器件性能的分析可知，表面粗糙度在17.7 nm以下的材料可以制得性能较好的红外探测器。此外，在下一步工作中，我们着重探索无损降低材料表面粗糙度的工艺，和侧壁钝化的工艺。
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图 2 碲镉汞焦平面器件的结构示意图
Figure 2. Schematic diagram of the structure of the HgCdTe focal plane device
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图 3 样品a、b、c、d、e和f的材料形貌显微照片
Figure 3. Photomicrographs of material topography, a, b, c, d, e, and f
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图 4 样品a、b、c、d、e和f接触孔的尺寸与深度的非均匀性
Figure 4. Non-uniformity of contact hole size and depth of samples a, b, c, d, e and f
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图 5 样品a、b、c、d、e和f接触孔的SEM形貌图
Figure 5. SEM topography of contact hole of samples a, b, c, d, e and f
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图 6 样品a、b、c、d、e和f的I-V和R-V曲线
Figure 6. I-V and R-V curves of samples a, b, c, d, e and f
表 1 样品粗糙度与接触孔相关参数和器件响应非均匀性的关系
Table 1 The relationship between sample roughness and contact hole related parameters and device response non-uniformity
Sample Roughness
/nmAverage size
/μmNon-uniformity
of size/%Average depth
/μmNon-uniformity
of depth/%Non uniformity
of response/%a 2.77 3.84 4.32 0.78 4.67 2.97 b 17.78 3.78 12.93 0.77 7.18 3.64 c 43.13 3.41 38.73 0.69 24.68 7.78 d 14.31 3.73 15.04 0.75 9.94 3.71 e 65.18 3.12 52.88 0.61 41.27 10.58 f 111.01 2.97 89.43 0.59 52.07 15.25 
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表 2 样品a、b、c、d、e和f的粗糙度、盲元率和响应非均匀性
Table 2 Roughness, blind pixel rate and response non-uniformity of sample a, b, c, d, e and f
Sample Roughness
/nmBlind pixel rate/(%) Non uniformity
of response/%a 2.773 0.15 2.97 b 17.789 0.73 3.64 c 43.131 1.26 7.78 d 14.317 0.65 3.71 e 65.189 2.31 10.58 f 111.012 3.04 15.25
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