硅基红外焦平面器件的原位纳米横向生长应变复合衬底研究

The infrared technology requires infrared focle-plane arrays(IRFPAs) of increased formats with low dislocation density HgCdTe material.Si becomes much more attractive substrate for HgCdTe MBE growth, because of its larger available size,high crystal quality, fewer impurities, low cost, high mechanical strength and thermal matching with Si readout chip. Due to the large lattice-mismatch of 19.3% and thermal mismatch, great deal of misfit dislocations are generated at the interface of Si substrates and in HgCdTe epilayers, which will greatly impact on the performance of LW IRFPAs. By using the effect of stress field in large mismatch heteroepitaxial system, the in-situ lateral growth of ZnTe nano-patterning on Si substrate and the HgTe/CdTe superlattice structure will be studied in this project to reduce the dislocation density of the Si-based strain composite substrate. The model for strain and stress distribution of multilayer heterostructure will also be made to optimize the structure of Si-based strain compostie substrate. As the results, the device performance and thermal reliability of HgCdTe IRFPAs will be further improved.

当前大规模红外焦平面器件的研制需要大面积、低位错密度的碲镉汞材料。分子束外延Si基HgCdTe材料由于Si衬底具有面积大、晶体质量高、杂质少、成本低、机械强度高、与Si读出电路热匹配等优点而广受重视。但是Si衬底与HgCdTe外延材料之间19.3%的晶格失配以及很大的热失配将导致大量的位错增殖，严重影响长红外焦平面器件的工作性能。本项目以应用于红外焦平面器件的Si基应变复合衬底为研究对象，引入分子束外延原位横向生长ZnTe纳米图形衬底与HgTe/CdTe超晶格结构的新方法，研究大失配异质外延体系应力场作用下的原位横向生长动力学机理，通过具体的结构设计制备Si基应变复合衬底，以达到控制外延层中的位错走向，进一步降低Si基应变复合材料位错密度的目的；并建立相应的多层异质结构的应力应变计算模型，对Si基应变复合衬底的结构进行优化，以进一步提高Si基碲镉汞红外焦平面器件的性能与热可靠性。

当前大规模红外焦平面器件的研制需要大面积、低位错密度的碲镉汞材料。分子束外延Si基HgCdTe材料由于Si衬底具有面积大、晶体质量高、杂质少、成本低、机械强度高、与Si读出电路热匹配等优点而广受重视。但是Si衬底与HgCdTe外延材料之间19.3%的晶格失配以及很大的热失配将导致大量的位错增殖，严重影响长红外焦平面器件的工作性能。本项目以应用于红外焦平面器件的Si基应变复合衬底为研究对象，引入分子束外延原位横向生长ZnTe纳米岛作为后继CdTe侧向外延生长的图形衬底，研究大失配异质外延体系应力场作用下的原位横向生长动力学机理，通过具体的结构设计制备Si基应变复合衬底，控制外延层中的位错走向，进一步降低Si基应变复合材料位错密度。建立各向异性多层异质结构的应变和应力分布物理模型并应用于ZnTe/Si(211)、CdTe/Si(211)与CdTe/GaAs(211)、ZnTe/GaAs(211)异质结构，采用ZYGO GPI-XP激光干涉仪对样品的曲率半径进行测量，对二者的结果进行对比分析，研究发现，Si衬底高温脱氧参与热应力的引入抑制了后继Si基HgCdTe/CdTe外延的弯曲热应变，使得异质结构的曲率半径增大，平整度提高，有助于避免与读出电路互连的铟柱脱焊剥离，降低盲元率。在此基础上生长获得了高晶体质量的CdTe/ZnTe/Si(211)样品，高分辨x射线双晶衍射FWHM值范围75-81弧秒，优于同等厚度的CdTe/GaAs样品。采用该应变复合衬底生长的碲镉汞材料制备的红外焦平面器件的性能与热可靠性有望进一步提升。