啼镐汞表面氧化特性的光电子能谱研究

李毅何篙易新建
(昆明物理研究所昆明650223)
摘要利用X射线光电子谱(XPS)对HgCdTe表面氧化特性进行了研究，对不同工艺过程中
的HgCdTe表面进行了测量、分析，结果表明啼福汞表面的自身氧化与工艺密切相关，说明
HgCdTe表面钝化前的预处理直接影响钝化层/HgCdTe的界面特性.
PACC:7280E, 8160，7960
1引言
在HgCdTe红外探测器的制造工艺中，要求对这种窄带隙半导体材料的表面加以严格
控制，使表面具有均匀的化学配比、无晶体缺陷、极少的表面氧化和其它表面沾污.
HgCdTe光伏探测器阵列是红外焦平面的，目前，HgCdTe光伏探测器阵列大多采
用n+ P结平面工艺技术，这种以P型HgCdTe材料为基础的器件结构，表面钝化的质量和
效果直接与HgCdTe表面的自身氧化层密切相关.尤其以绝缘或半绝缘介质作为钝化层的
钝化工艺中，HgCdTe的表面氧化层不仅影响界面特性，而且直接影响到钝化层的介质特
性，终影响光伏探测器阵列的光电性能、成品率、可靠性.本文利用X射线光电子谱
(XPS)对HgCdTe光伏探测器工艺过程中的HgCdTe表面进行了测量、分析，结果表明
HgCdTe表面的自身氧化与工艺密切相关，说明钝化前的表面预处理在HgCdTe光伏探测
器阵列的制造工艺中显得非常重要.
厂2实验过程
本研究所用的Hg,一二Cd.Te材料采用布里奇曼方法制备，材料的化学配比为x=
0. 205mo1.晶片经低温退火后，终将其变形为P型，随后分割成若干小片.为了更好地研
究HgCdTe的表面氧化特性，所有分割的小片都严格按照HgCdTe红外探测器的制造工艺
制备，以真实地获取不同工艺过程中的HgCdTe表面氧化状态.具体的工艺过程和处理条
件加下:(1)样品A }r A1,0,磨抛后。用右机溶剂和类离子7k严格清洗.(2)样品B多
A120。磨抛后，再用氧化镁精细磨抛，用有机溶剂和去离子水严格清洗.(3)样品C4
样品D经A1203磨抛和氧化镁精细磨抛后，再用澳一无水乙醇溶液((3ooBr2)腐蚀，用刁
机溶剂和去离子水严格清洗.(4)样品E经A120。磨抛和氧化镁精细磨抛后，用嗅一无水C
醇(3 Yo Br,)腐蚀，随后用有机溶剂和去离子水严格清洗，经高纯氮气吹干后立即进入射频牺
射真空室，在其表面溅射淀积400nm的ZNS膜层.上述样品均在室温下的超净环境中完成
制备好的样品经高纯氮气吹干后立即进入XPS样品分析室.
本文中的XPS谱都是在PH15500ESCA系统上采集的，用AlKa和MgKa辐射为光。
子激发源(能量分别为hi) =1486. 6eV和hv=1253. 6eV)，通能为58. 7eV，入射角为450,
样面积为800f.m直径的斑点，采样时样品分析室的真空度保持在5X1。一“Pa.谱仪经纯乍
Cu3P3/2 (75. leV), CuLMM (334. 9eV)和Cu2P3/2 (932. 7eV)谱峰校正，取Cls峰的结合育
284. 8eV对表面电荷效应引起的结合能位移进行校正.
3结果分析与讨论
所有样品经扫描谱确认其表面不含其它元素(如Br, N, Cl等)，对每个样品都采委
Hg4f,Cd3d,Te3d,Ols和Cls的光电子谱，并用Cls峰对表面电荷效应引起的化学位移J2
行校正.
3.1样品E1和样品B的XPS测量结果
和分别为在样品A和样品B表面上所采集的Hg4f,Te3d,Cd3d,Ols光电任
谱，通过对比可以看出，两者相对应的谱及峰位几乎一致，说明样品A和样品B的表面状a
极为相似.和的Te3d5,2为双峰，峰位结合能为572. 7eV和575. 8eV，其中，结合育
为572. 7eV的峰对应于HgCdTe中的啼(Te，结合能为575. 8eV的峰对应于氧化状态白
蹄(Teox ).由于Te和Teo二有较明显的化学位移，可用来评价HgCdTe表面受氧化的程度.月
高斯曲线对Ols谱进行拟合，可以得到两个分离的峰，峰位结合能分别为531. 4eV不
532. 6eV.其中结合能为532. 6eV的氧峰对应于表面上的物理吸附氧(如氢一氧或碳一氧G
族)，结合能为531. 4eV的氧峰主要为HgCdTe表面氧化物的氧.在Te3d5/:的化学位移中
Te与Te。二的化学位移为3. leV，该化学位移由电荷转移效应引起，使HgCdTe表面Te的召
态由Te。变为Te+0，根据标定结合能可以确定HgCdTe表面的氧化物主要是Te02['].由弓
Hg和Cd的化学位移极小，说明HgCdTe表面含Hg和Cd的氧化物较少.
3.2样品C和样品D的XPS测量结果
和分别为在样品C和样品D表面上所采集的Hg4f, Te3d , Cd 3d和Ols的劲
电子能谱，通过对比可以看出，虽然两者的峰位一致，但峰的幅度有很大差异.
对图中的Hg4f,Te3d,Cd3d,Ols谱进行分析得出，结合能为100. 6eV和104. 6eV分另
对应Hg4f7,2和Hg4f5,z，这与HgCdTe中Hg的峰位相比有一很小的化学位移，其化学成交
为Hg0或Hg的化合物.结合能为405. 3eV和412. 2eV分别对应Cd3d5,Z和Cd3d3,2，它if
均为HgCdTe中受氧化的Cd或其它Cd的化合物.结合能为572. 8eV和583. OeV分别又
应Te3dsiz和Te3d3,z，它们均有伴峰.从Te3d5;z的光电子能谱分析，得出结合能为572. 8e}
对应于元素Te，说明表面有单质Te富集.Te3d5,z的伴峰其结合能为576. 4eV，它对应于TI
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为了确定表面的化学成分，用高斯型曲线对Ols进行拟合，终得到三个分离的氧峰，
峰位的结合能分别为530. 8eV, 532. 3eV和534. 3eV.其中，结合能为532. 3eV的氧峰对应
于表面上的物理吸附氧，结合能为530. 8eV和534. 3eV的氧峰对应表面氧化物中的氧.从
Te3d,j2的双峰可以算出Te与Teo二的化学位移为3. 7eV, Te的价态由Te-“变为Te+'，它主
要对应Te203和Te0。等化学成分.根据标定结合能可以确定HgCdTe表面的化学组分主
要是HgTe20。和CdTe03，以及少量的CdTe205[2,31.因此，样品C和样品D的表面成分为
单质Te,HgTe205,CdTeO。以及少量CdTe20。的混合物.从拟合的Ols曲线可以看出，虽
然样品C和样品D的处理条件相同，但表面的氧化程度却颇有差异，样品D的Te3d5/2谱
中，氧化引起的伴峰其幅度远超过主峰，说明表面氧化与工艺过程密切相关，经过大量的实
验和测量分析，HgCdTe经无水乙醇和澳的腐蚀液处理，表面受氧化的程度具有较大的随机
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4结论
根据对以上不同工艺过程的HgCdTe表面进行的测量、分析，得出下列结论:
(1) HgCdTe表面在不同的工艺过程中，表面的氧化特性有很大差异.在粗磨和精细磨
抛过程中，两个工艺过程的HgCdTe表面状态极为相似，HgCdTe表面仅有少量的TeOz.
(2) HgCdTe表面经无水乙醇和澳的腐蚀液处理后，表面除有单质蹄富集外，还有Cd-
Te03,HgTezO。和少量的CdTez05，表面氧化特性与工艺过程密切相关，很难获得较为理想
的HgCdTe表面.
(3)从Hg/Cd的比值发现，HgCdTe表面经无水乙醇和澳的腐蚀液处理后，HgCdTe表
面化学配比出现偏析，形成镐不足的HgCdTe表面.
(4) HgCdTe表面经无水乙醇和嗅的腐蚀液处理后，很难获得无氧化、化学配比均匀的
新鲜表面，不适宜的工艺过程还会加剧表面的氧化，从而影响到器件的性能、成品率和可靠
性.
因此，钝化前的表面预处理显得尤为重要[4]，通过处理减少或去除HgCdTe表面的氧化
物，对提高光伏探测器阵列的性能和可靠性，特别是对改善和提高HgC'dTe表面钝化的质
量和效果，将起着重要的关键作用.
致谢本研究的分析测量工作，得到云南省分析测试中心崔永杰、杨晓云的热情支持和协
助，作者在此表示衷心感谢.
参考文献
[1〕M. Seelmann-Eggebert and H. J. Richter, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.，1990, 52: 273.
〔2〕Fang Wang, Alan Schwartzman, Alan L. Fahrenbruch et al.，J. Appl. Phys.，1987, 62(4):1469.
[3〕S: Menezes，W. V. Mclevige, E. R. Blazejenwski et al.，J. Vac. Sci. Technol.，1991，B9(3):1874.
[4〕Peter Caooer, Properties of Narrow Gap Cadmium-based Comopunds. London; INSPEC, 1994, 284^290.

Study on Oxidative Characterization of HgCdTe Surface by XPS
Li Yi，He Song and Yi Xinjian
(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223)
Received 7 September 1996, revised manuscript received 10 June 1997
Abstract HgCdTe surface oxidative characterization has been studied by X-ray photoelec-
tron spectroscopy (XPS).HgCdTe surface exposed by various processing steps has been
measured and analysized. The results show that the native oxide film on HgCdTe is rela-
tive to the processing steps. It shows that the pre-treatment before HgCdTe surface passi-
vation affects the passivant/HgCdTe interface properties.
PACC:7280E，8160，7960