摘要
对高温热退火前后分子束外延（MBE）生长的多层P-on-N结构HgCdTe外延材料的界面变化进行研究。研究发现，高温热退火将引起HgCdTe外延材料界面层的改变，从而破坏原生结构。这种改变可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其能带结构和光电流的影响。
HgCdTe材料具有高吸收系数、高量子效率、波段可调等优点，一直是制作红外光电探测器以及新一代红外焦平面器件的优选材
从材料工艺上，MBE生长的掺杂型HgCdTe材料的应用避免不了高温热退火的工艺过程。针对高温热退火前后多层结构HgCdTe外延材料的界面变化进行研究，将为HgCdTe外延材料工艺的改进，后续焦平面器件的研发提供基础。
本文实验上通过对多层P-on-N结构的HgCdTe外延材料进行Hg压封管下的高温热退火，研究其退火前后的界面变化。研究发现，高温热退火的工艺条件，尤其是退火温度，将引起HgCdTe外延材料界面层的改变，并且这种变化可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其能带结构和光电流密度的影响，为后续材料生长和焦平面器件的设计提供关键基础。
HgCdTe多层P-on-N结构在Riber 32分子束外延系统中进行生长，衬底材料为GaAs（211）B。
图1 HgCdTe/CdTe/GaAs多层外延材料的结构示意图
Fig. 1 Cross section of HgCdTe/CdTe/GaAs P-on-N structure
外延后的材料切片成边长为1 cm的正方形样品，在每次实验过程中都选取相邻的两片样品，其中一片进行高温热退火过程，另一片作为对比片。由于分子束外延生长的HgCdTe材料的面均匀性良好，相邻的样品具有相似性的材料性质，包括晶体质量、光学性质和电学性质。在对样品进行有机清洗后，氮气吹干迅速放入具有Hg源的真空石英管中封好，进入退火炉进行高温热退火，如
图2 样品Hg压下封管高温退火示意图注：A是HgCdTe样品片，B是退火源（Hg），C是石英管
Fig. 2 Schematic diagram of thermal annealing under Hg pressure Note: A is HgCdTe sample, B is annealing source(Hg), C is Quartz tube
采用两种不同的退火条件对HgCdTe样品进行研究，样品编号A的高温热退火条件1为退火温度300 ℃，退火时间为2 h；样品编号B的退火条件2为退火温度400 ℃退火时间为2 h。然后分别和各自的对比片（原生未退火样品）一起进行SIMS测试，获得
图3 不同退火条件下HgCdTe P-on-N结构各界面处Cd组分分布变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 3 The changes of Cd composition under different thermal annealing conditions (a) sample A, (b) sample B
从
图4 不同退火条件下CdTe/HgCdTe界面处Cd组分分布变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 4 The changes of Cd composition of CdTe/HgCdTe interface under different thermal annealing conditions (a) Sample A, (b) Sample B
图5 不同退火条件下异质结界面处Cd组分分布变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 5 The changes of Cd composition of heterojunction interface under different thermal annealing conditions (a) sample A, (b) sample B
图6 不同退火条件下异质结界面处As掺杂浓度分布变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 6 The changes of As doping of heterojunction interface under different thermal annealing conditions (a) sample A, (b) sample B
图7 不同退火条件下各界面处In掺杂浓度分布变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 7 The changes of In doping under different thermal annealing conditions (a) sample A, (b) sample B
对退火前后结构参数的变化进行了总结，同时根据总结后不同的结构参数，对退火前后不同的HgCdTe P-on-N结构进行二维模型的建模，采用Newton迭代数值方法对Poisson方程和电流连续性方程进行相关数值模拟计
从
图8 不同退火下HgCdTe P-on-N结构能带变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 8 The changes of band energy of HgCdTe P-on-N structure under different thermal annealing conditions (a) sample A, (b) sample B
图9 不同退火下HgCdTe P-on-N结构光电流变化情况 (a)样品编号A，(b)样品编号B
Fig. 9 The changes of light current of HgCdTe P-on-N structure under different thermal annealing conditions (a) sample A, (b) sample B
前期研究表明，As掺杂的HgCdTe P-on-N结构材料在后续的红外器件制备过程中，必然需要经过高温退火过程进行激活，其退火温度的高低直接影响As的激活效率，决定P区的电学浓度。所以不能直接采用控制退火温度的方式来消除上述的能带畸变。然而，通过高温对P-on-N结构能带变化影响的定量研究，可以采用“预先设计”的方式来解决这个问题，即通过上述定量后的研究结果，结合数值模拟计算，在材料生长前把高温退火带来的畸变现象考虑到结构设计中，预先改变组分结和掺杂结的位置以及各结构参数。
通过对高温热退火前后多层P-on-N结构HgCdTe外延材料的界面变化进行研究，发现热退火对界面处的影响引起了其内部Cd组分的再分布，形成组分互扩散区域。同时，As掺杂以及In掺杂的分布也会随着热退火条件的变化而发生改变。后续研究发现，互扩散区域的大小与退火条件息息相关，可以一定程度上通过工艺条件进行控制。同时，对热退火前后P-on-N结构变化进行了二维数值模拟，研究了不同变化对其能带结构和光电流的影响，提出预先设计的方式解决高温退火引起的能带畸变现象，从而为后续材料生长以及红外焦平面器件结构的设计提供一定程度的参考。
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