摘要
“燕尾”状缺陷是异质外延碲镉汞薄膜中一种形状、朝向统一的典型缺陷，本文对“燕尾”状缺陷的表面形貌、结构及形成机理进行了表征及研究。结果表明，在碲镉汞薄膜表面，“燕尾”状缺陷以两条凸起的“燕尾”边为特征形貌。在碲镉汞薄膜中，“燕尾”状缺陷为倒金字塔结构，由、四个底面与（211）表面围成。“燕尾”状缺陷为（552）A孪晶缺陷，（552）A孪晶与（211）A基体间不同的生长速率导致了缺陷的形成。碲镉汞晶体中12个滑移系统间不同的Schmid因子决定了（552）A孪晶成核生长于和面，也决定了“燕尾”状缺陷的表面形貌及结构。
碲镉汞（HgCdTe，MCT）材料在整个红外谱段带隙可调，同时具有高量子效率及低暗电流等优点，是目前军事领域应用最广泛的红外探测材
实验使用Riber Epineat分子束外延系统，在两个独立腔室中分别制备碲化镉缓冲层和碲镉汞吸收层。衬底使用3 inch单抛（211）Ge衬底，衬底偏角为±0.5°。Ge衬底传入腔体后，在600 ℃进行脱氧，用As和Zn进行钝化和极化，在280℃附近生长8 μm碲化镉，180 ℃附近生长6~8 μm短波碲镉汞。材料取出腔体后，观察到表面发白，显微镜观察到薄膜表面密布形如“燕尾”状的缺陷，薄膜XRD摇摆曲线（422）峰半峰宽值在150 arc sec以上。
使用微分干涉相差显微镜（Olympus MX63）、扫描电镜（FEI Nova Nano SEM）、白光干涉仪（aep NanoMap-D）表征了材料表面形貌。借助FIB刻蚀和解理获得薄膜截面，使用SEM观察了不同位置处缺陷截面形貌，研究了缺陷在薄膜内的结构。使用EDS（EDAX Element EDS）对缺陷特征区域进行了成分分析，使用HRXRD（Jordan Valley Delta-X） ω-2θ模式进行了物相分析。使用Everson腐蚀液判断了CdTe缓冲层表面极性类型。
本文将碲镉汞薄膜表面一种形状及朝向统一、形似“燕尾”、以两条呈一定角度凸起边为特征形貌的宏观缺陷称作“燕尾”状缺陷。如
图1 “燕尾”状缺陷表面形貌（a）200x光学显微镜,（b）1000x光学显微镜,（c）SEM， 注：图（c）中四条虚线表示缺陷轮廓，A、B、C三个区域为EDS测试区域
Fig.1 Surface topography of the swallow-tailed defect （a） optical microscope images with 200 magnification, （b） optical microscope images with 1000 magnification, （c） SEM image ,Note（s）: The arrays in （b） show different direction of raised side in triangle defect. The four dash lines in （c） are outlines of the defect. Capital A, B, C in （c） represent three EDS test areas.
图2 白光干涉3D图（a）100 μm×100 μm，（b）图（a）中框内“燕尾”状缺陷，（c）三角形缺陷
Fig. 2 White light interferometry images of HgCdTe surface （a） 100 μm×100 μm area，（b） defect marked in figure （a），（c） triangular defects.
“燕尾”状缺陷周边密布着尺寸稍小的三角形凸起缺陷，三角形凸起缺陷密度为“燕尾”状缺陷的数倍。三角形凸起边有两种形式，如
使用FIB沿方向在
图3 刻蚀及解理后“燕尾”状缺陷不同位置处截面形貌（a）缺陷表面外廓及解理截面选择点示意，（b）A位置处FIB刻蚀后截面形貌，（c）解理后A处截面形貌，（d）解理后B处截面形貌，（e）解理后C处截面形貌
Fig. 3 Cross-sectional SEM images at different positions, the cross-sectional plane is face （a） schematic of outlines of swallow-tailed defect and cleavage positions A, B, and C, （b） shows position A after FIB etching, （c-e） represents position A, B and C after cleavage, respectively.
对材料进行解理，选择解理面进行观察，
图4 “燕尾”状缺陷的结构（a）示意图,（b）diamond软件绘制的缺陷结构图
Fig.4 Structure of swallow-tailed defect in epi-layer （a） Schematic graph, （b） defect structure from Diamond software.
凸起缺陷可能与富汞生长条件有
对存在“燕尾”状缺陷的碲镉汞材料进行了单晶性分析，
图5 HRXRD ω-2θ结果 （a）存在“燕尾”状缺陷碲镉汞，（b）单晶碲镉汞，（c）存在“燕尾”缺陷碲镉汞对应碲化镉，（d）单晶碲镉汞对应碲化镉
Fig.5 HRXRD omega-2theta scan pattern, （a） HgCdTe with swallow-tailed defect, （b） single crystal HgCdTe, （c） CdTe buffer of HgCdTe with swallow-tailed defect, （d） CdTe buffer of single crystal HgCdTe
由于面心立方晶体结构的衍射消光，ω-2θ结果中（331）衍射峰实际上是（552）衍射峰。面心立方晶体中，孪晶界为｛111｝晶面族，薄膜中（211）相与（552）相以｛111｝晶面族为界呈镜面对称关系，互为孪晶相，如
图6 （211）与（552）孪晶以（111）面为界呈180°镜像翻转关系
Fig.6 Schematic of different atomic sequence along [111] direction of （211） and （552） grain.
在异质外延中，衬底与外延层间存在晶格失配，其对应的失配应变能在薄膜外延过程中逐步释放，产生位错及堆垛层
图7 经Everson腐蚀液腐蚀后碲化镉表面明场显微形貌 （a）第一类碲化镉，表面为B极性面，表面呈现典型钝角三角形腐蚀坑,（b）第二类碲化镉，表面为A极性面，表面变黑，无规则腐蚀坑
Fig. 7 Bright field microscopy images of CdTe after Everson etching （a）the typical triangle etch pits observed on type-I CdTe, （b）surface turned to black and no etch pit found in Type-II CdTe
虽然A极性面碲化镉中存在（552）孪晶，但其表面未出现凸起缺陷，仅能观察高密度沿方向的短坑，如
图8 碲化镉表面显微形貌 （a）B极性面碲化镉，（b）A极性面碲化镉
Fig. 8 Bright field microscopy images of Te-terminated CdTe and Cd-terminated CdTe （a） Te-terminated CdTe，（b）Cd-terminated CdTe
对于碲化镉和碲镉汞来说，（211）B晶体生长速度大于（552）B晶体，外延过程中由于失配应变能的释放同样会产生（552）B孪晶，但孪晶增殖将受到（211）B碲镉汞基体的抑制，孪晶可能仅存在于碲镉汞与碲化镉或碲化镉与Ge界面附近。对2 μm CdTe/Ge及2 μm HgCdTe/CdTe样品进行了HRXRD ω-2θ测试（x射线穿透深度大于4 μm），衍射谱如
图9 2 μm CdTe/Ge以及2 μm HgCdTe/CdTe样品HRXRD ω-2θ衍射谱
Fig. 9 HRXRD ω-2θ scan pattern （a） 2 μm HgCdTe on CdTe/Ge, （b） 2 μm CdTe on Ge
（552）A孪晶起源于碲化镉与Ge界面，由于（552）A碲化镉与（211）A碲化镉生长速度差异较小，A极性面碲化镉表面未出现凸起缺陷。孪晶延伸进入碲镉汞后，由于（552）A碲镉汞与（211）A碲镉汞生长速度差异较大，在碲镉汞表面形成了“燕尾”状缺陷。“燕尾”状缺陷形貌主要决定于孪晶生长面。在碲化镉外延初期的三维生长模式阶段，能量较低的｛111｝面将被暴露出
本文将碲镉汞薄膜表面特征形貌为两条凸起边的缺陷称作“燕尾”状缺陷，“燕尾”边最高凸起约200 nm。“燕尾”状缺陷周围分布着密度更高的三角形缺陷，缺陷一条边凸起，最大凸起高度约20 nm。在碲镉汞薄膜内部，“燕尾”状缺陷为倒金字塔结构，由、四个底面与（211）表面围成。
不同于由衬底或外延条件偏离导致的缺陷，“燕尾”状缺陷为（552）A孪晶缺陷，“燕尾”缺陷的存在使碲镉汞材料XRD摇摆曲线（422）峰半峰宽展宽到150 arc sec以上。孪晶起源于碲化镉与Ge界面处，此处、滑移系统具有最大的Schmid因子，面上容易产生堆垛层错，成为孪晶成核及生长面。若材料终止面为金属面（A面），由于（552）A孪晶生长速度快于（211）A基体，孪晶容易达到其临界生长尺寸并继续生长，延伸到（211）A碲化镉及碲镉汞中。若材料终止面为Te面（B面），（552）B孪晶将被（211）B基体抑制，孪晶仅存在于碲化镉与Ge界面附近。（552）A碲镉汞与（211）A碲镉汞生长速度存在差距，导致碲镉汞表面存在高密度三角及“燕尾”缺陷。孪晶沿单个成核面生长，形成的孪晶较小，对应薄膜表面三角形缺陷；当两个或多个孪晶在后续生长过程中相遇，则形成更大尺寸孪晶，对应薄膜表面“燕尾”状缺陷。
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