CdZnTe材料缺陷特性及热处理技术

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随着第三代HgCdTe红外焦平面探测器的快速发展和CdZnTe核辐射探测器进入广泛应用，对大尺寸高质量CdZnTe单晶材料的需求不断增大。虽然CdZnTe材料的锭条直径已经普遍大于100mm，但是CdZnTe材料依然存在着缺陷种类多、缺陷密度大的问题。这些缺陷的存在不仅降低了晶片的质量和有效使用面积，也影响了材料的应用。目前对CdZnTe材料缺陷的特性已有很多研究，但对CdZnTe材料沉淀相缺陷的特性及衬底材料缺陷与HgCdTe外延材料缺陷的关系还不十分清楚。有关CdZnTe材料热处理的研究还不成熟，热处理尚未成为CdZnTe材料改性的实用化技术。 本研究工作先围绕CdZnTe材料缺陷特性展开，重点研究沉淀相缺陷的腐蚀坑特性和沉淀相缺陷的结构，以及CdZnTe材料缺陷的起源。在掌握材料缺陷评价技术的基础上，研究了缺陷在热处理过程中的变化，找到了能有效减小缺陷尺寸的热处理工艺条件，并发展了实用化的热处理技术。具体研究内容和结果如下： 1，研究了CdZnTe材料{111}B表面的腐蚀坑形貌和它们所揭示的缺陷类型。对常见的三角锥形坑和平底坑的起源进行了分析。三角锥形坑起源于位错。三角平底坑是缺陷被完全腐蚀后形成的，起源是位错或小尺寸的沉淀相缺陷。 2，研究发现CdZnTe材料{111}B表面的沉淀相缺陷腐蚀坑有特异的形貌。富Te沉淀相缺陷的腐蚀坑的形状是三角形和六边形，坑底表面粗糙。这类腐蚀坑在低倍（～50倍）视场下观察呈弹坑状形貌，比位错腐蚀坑容易识别。富Cd沉淀相缺陷的腐蚀坑总是被大量位错腐蚀坑环绕，形成簇团形貌，在低倍视场下也极易被识别。相比红外透射显微镜观察，采用腐蚀坑观察法检测沉淀相缺陷的方法具有很多优势。腐蚀坑观察法效率更高，在大面积的表面上直接得到材料的表面缺陷密度，结果对控制HgCdTe外延材料的表面缺陷密度更具有参考价值。 3，分别对CdZnTe富Te材料和富Cd材料中的体缺陷进行了观察和分类。两类材料中随机分布、线分布和面分布的沉淀相缺陷呈现了不同的形貌。富Te沉淀相缺陷具有正四面体和八面体结构，表面为{111}面，这是因为立方晶体中{111}面的表面能最低。富Cd沉淀相缺陷的形貌被星形位错簇团的形貌掩盖。研究发现，星形形貌由24个沿<211>方向延伸的位错延伸带组成。星形位错簇团的延伸带具有{110}片状结构。随着入射方向的改变，位错簇团对红外光的吸收和散射效果有巨大变化，结果导致在红外透射显微镜下只能观察到不超过6个的位错延伸带。基于研究结果，首次获得了星形缺陷的3D模型图。 4，系统地研究了不同温度、气氛压力、热处理时间对CdZnTe材料缺陷的影响。结果显示，在一般的热处理（温度低于750℃）条件后，富Te材料的腐蚀坑密度经热处理后有所增殖，改进热处理条件可抑制腐蚀坑增殖。富Cd材料在一般条件热处理后其腐蚀坑密度变化不大。当热处理温度超过750℃时，两类材料的腐蚀坑密度都将出现明显增殖。沉淀相缺陷在不同热处理条件下有不同的变化，富Te沉淀相缺陷在富Cd气氛下热处理可从红外透射形貌像中消除，富Cd沉淀相缺陷则需在富Te气氛下热处理消除。富Te沉淀相缺陷在富Cd条件下热处理会使其周围材料产生位错簇团。进一步的研究发现，使用先富Te再富Cd的两步热处理工艺可以避免这种位错增值。 5，研究了热处理工艺对CdZnTe材料X-ray双晶半峰宽、电阻率和红外透射率的影响。结果显示，热处理后富Te材料的晶格完整性有所下降，富Cd材料的晶格完整性变化不大；富Te材料在富Cd热处理后材料的电阻率增加了3个量级；富Te气氛热处理将增加Cd空位浓度，使材料的红外透射率下降，富Cd气氛热处理则可使材料红外透射率提高到60%以上。 6，研制了适用于大尺寸晶片批量热处理的开管热处理设备，并对相关工艺技术进行了研究，解决了设备运行和工艺实现相关的技术难题，并将闭管热处理研究中获得的结果应用到开管热处理技术上。采用开管热处理技术对CdZnTe衬底进行批量处理的结果显示，衬底中沉淀相缺陷的尺寸明显减小，低透射率（红外波段）材料的透射率可以提升到红外焦平面器件的要求，该技术已应用于碲锌镉材料制备的批生产工艺，取得了良好的效益。 7，研究了HgCdTe液相外延材料上不同种类缺陷的形貌，及其与CdZnTe衬底表面沉淀相缺陷的对应关系。统计数据表明HgCdTe表面缺陷和CdZnTe表面沉淀相缺陷具有很好的正向关系。使用经热处理改性后的衬底材料进行了HgCdTe外延生长，所得HgCdTe材料的表面缺陷密度明显低于未经热处理衬底上生长的外延材料的表面缺陷密度，证明衬底的热处理技术对降低HgCdTe表面缺陷起到了良好的作用。研究还发现，富Cd沉淀相缺陷周围的位错簇团部分穿越到了外延中。而富Cd气氛热处理后，在富Te沉淀相缺陷周围产生的位错簇团则不会穿越到外延中。 研究CdZnTe材料缺陷的特性和起源一直是比较困难的课题。本文通过研究对这些问题有了进一步的认识，对CdZnTe材料缺陷在热处理条件下的变化行为有了系统的了解。研究结果可以用于设计热处理条件减小材料的缺陷尺寸和提升材料的光电性能。对HgCdTe外延薄膜表面缺陷和衬底缺陷之间相关性的研究有助于提升HgCdTe材料的质量，本文部分研究结果已在CdZnTe衬底和HgCdTe外延材料的常规制备工艺中得到了验证和应用。