GB/T 30110-2013 空间红外探测器碲镉汞外延材料参数测试方法

ICS49.060

H80

中华人民共和国国家标准

/—

GBT301102013

空空间红外探测器碲镉汞外延材料

参数测试方法

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Measurinmethodsofarametersof

gp

HCdTeeilaersusedforsaceinfrareddetectors

gpyp

2013-12-17发布2014-05-15实施

中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局

发布

中国国家标准化管理委员会

/—

GBT301102013

目次

前言…………………………Ⅰ

1范围………………………1

2规范性引用文件…………………………1

3术语和定义………………1

4符号和说明………………3

5材料参数测试方法………………………4

5.1组分与厚度测试……………………4

5.2表面晶向测试………………………8

5.3晶格常数测试………………………9

5.4表面平整度测试……………………10

5.5表面粗糙度测试……………………12

5.6材料电学参数测试…………………13

5.7少数载流子寿命测试………………16

5.8位错密度测试………………………18

5.9表面缺陷密度测试…………………20

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5.10X射线双晶衍射半峰宽测试……………………20

5.11X射线形貌测试…………………22

5.12材料性能非均匀性测试…………23

6空间环境下材料抗辐照性能测试方法…………………24

6.1试验条件……………24

6.2材料抗辐照性能参数测试…………24

……………………

、

7材料参数的精密度精确度和不确定度测试方法24

8测试设备要求……………24

()…………………

附录规范性附录材料的光学常数

A25

()+-……

附录规范性附录纵向组分梯度分布的碲镉汞外延材料透过率和反射率的计算

BTaRa26

()…………………

附录资料性附录激光干涉仪原理

C29

()…

附录资料性附录位错密度测量值的标准均方差与腐蚀坑计数平均值的关系

D30

参考文献……………………31

/—

GBT301102013

前言

本标准按照/—给出的规则起草。

GBT1.12009

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Ⅰ

/—

GBT301102013

空间红外探测器碲镉汞外延材料

参数测试方法

1范围

本标准规定了空间红外探测器用碲镉汞(HCdTe)外延材料性能参数的测试方法和测试设备

g

要求。

,

本标准适用于空间红外探测器用碲镉汞外延材料的参数测试其他用途的碲镉汞外延材料参数的

测试可参照使用。

2规范性引用文件

。,

下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件仅注日期的版本适用于本文

。,()。

件凡是不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改单适用于本文件

/—硅和锗体内少数载流子寿命测定光电导衰减法

GBT15532009-

/—半导体单晶晶向测定方法

GBT15552009

/—非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法

GBT43262006

—微电子器件试验方法和程序

GJB548B2005

国家标准ㅤ可打印ㅤ可复制ㅤ无水印ㅤ高清原版ㅤ去除空白页

、

GJB1485材料物理性能测试方法的精密度精确度和不确定度

GJB2712测量设备的质量保证要求计量确认体系

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

衬底substrate

为外延提供周期性排列的表面原子结构的单晶材料。

3.2

外延材料eitaxialmaterial

p

在单晶衬底上用气相和液相等生长方法获得的单晶薄膜材料。

3.3

液相外延;

liuidhaseeitaxLPE

qppy

,,,,

把半导体材料溶解在溶剂中使其形成饱和溶液然后把此饱和溶液覆盖在单晶衬底上降低温度

,。

溶液过饱和在衬底上沿衬底结晶轴方向生长出新的半导体单晶薄层的工艺

[/—,]

GBT142642009定义3.143

3.4

分子束外延;

molecularbeameitaxMBE

py

,,

在超高真空下使衬底保持在适当温度把一束或多束分子连续沉积到衬底表面而得到超薄单晶层

的工艺。

[/—,]

GBT142642009定义3.161

1

/—

GBT301102013

3.5

缓冲层bufferlaer

y

位于衬底与外延材料之间的过渡层。

3.6

组分comosition

p

膺二元化合物()(值非常接近)中原子数含量占原子和原子数量之和的

ABC0.5BAB

1-xx1-yyy

比例。

3.7

表观组分aarentcomosition

ppp

按均匀材料计算得到的组分非均匀材料的组分值。

3.8

组分梯度comositionradient

pg

组分沿材料纵向随厚度变化的比例。

3.9

透过率transmissivit

y

当特定波长的光线垂直入射到上下表面平行的片状材料时的透射光强度与入射光强度的比值。

3.10

施主donor

,。

半导体中一种杂质或不完整性它向导带提供电子形成电子导电

[/—,]

GBT142642009定义3.68

3.11

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受主accetor

p

,,。

半导体材料中的一种杂质它接受从价带激发的电子形成空穴导电

[/—,]

GBT142642009定义3.1

3.1

2

n型半导体n-tesemiconductor

yp

多数载流子为电子的半导体材料。

[/—,]

GBT142642009定义3.171

3.13

型半导体-tesemiconductor

ppyp

多数载流子为空穴的半导体材料。

[/—,]

GBT142642009定义3.202

3.14

霍尔系数Hull-coefficient

,。

在霍尔效应中霍尔电场的大小与磁感应强度及电流密度成正比比例系数称为霍尔系数

[/—,]

GBT142642009定义3.110

3.15

霍尔迁移率Hall-mobilit

y

霍尔系数与导电率的乘积。

[/—,]

GBT142642009定义3.112

3.16

多数载流子maoritcarrier

jy

,,,。

在非本征半导体材料中多于载流子总浓度半数的载流子例如型半导体中的空穴

p

2

/—

GBT301102013

[/—,]

GBT142642009定义3.150

3.17

迁移率mobilit

y

载流子在单位电场强度作用下的平均漂移速度。

[/—,]

GBT142642009定义3.160

3.18

少数载流子minoritcarrier

y

,,,型半导体中的电子。

在非本征半导体材料中少于载流子总浓度半数的载流子例如p

[/—,]

GBT142642009定义3.159

3.19

位错dislocation

,,

晶体中的一种线缺陷它是晶体中已滑移与未滑移区之间边界构成的或是以伯格氏回路闭合性破

坏来表征的缺陷。

[/—,]

GBT142642009定义3.36

3.20

表面缺陷surfacedefect

未经缺陷腐蚀剂腐蚀就以凸起或凹陷方式显露在材料表面的晶体结构缺陷。

3.21

表面平整度surfaceflatness

,,

设两个平行的基准面使得规定区域内的材料表面落在两平行平面的范围内两平面之间的最小距

离被定义为材料,,()。

表面平整度该距离也是表面起伏的峰谷差单位采用微米μm表示

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3.22

表面粗糙度surfacerouhness

g

()

特定面积内材料表面与表面基准面各表面点到基准面距离的算术平均值为零之间距离的标准均

方差值。

3.23

X射线衍射貌相X-ratoorah

ypgpy

材料中特定原子晶面因射线入射而产生的衍射光的强度面分布。

X

3.24

射线双晶衍射半峰宽;

XX-rafullwidthathalfmaximumFWHM

y

材料中特定原子晶面所产生的衍射光强度最大值的所对应射线入射角的变化角度。

50%X

3.25

表面晶向crstalorientationofsurface

y

,。

材料表面的法线所对应的外延材料的结晶学取向用晶体学的密勒指数表示对于有极性的化合

,,,。,()

物晶体材料表面原子层为金属原子时其表面称为面为非金属原子时称为面例如晶向

AB111

()()。

的表面需用或来表示

111A111B

3.26

非均匀性non-uniformit

y

,。

表面不同位置上材料参数的均方差单位和所评价参数相同

4符号和说明

表中的符号适用于本文件。

1

3

/—

GBT301102013

、

表1碲镉汞外延材料参数符号名称和单位

符号名称单位

T温度K

x组分无量纲

xc表观组分无量纲

-1

gx组分梯度cm

d外延材料的厚度μm

σ非均匀性—

PV表面平整度μm

RMS表面粗糙度μm

Δz组分互扩散区厚度μm

dCT碲化镉()缓冲层厚度μm

CdTe

Twafer透过率无量纲

-3

ND施主浓度cm

NA受主浓度cm-3

nn型载流子浓度cm-3

pp型载流子浓度cm-3

型载流子迁移率2/·

μnncmVs

型载流子迁移率2/·

μppcmVs

nHn型霍尔浓度cm-3

pHp型霍尔浓度cm-3

2

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霍尔迁移率/·

μHcmVs

少数载流子寿命或

τnss

μ

EPD位错腐蚀坑密度cm-2

FWHM双晶衍射半峰宽arcsec

Ns()尺寸大于y的表面缺陷密度cm-2

y

5材料参数测试方法

5.1组分与厚度测试

5.1.1测试原理

,

用红外光谱仪测量碲镉汞外延材料的透射率曲线根据碲镉汞材料组分与禁带宽度的关系以及禁

,,

带宽度与材料吸收系数的关系获取材料的组分参数并利用透射率曲线的干涉条纹确定外延层的

厚度。

5.1.2测试系统和流程

,、、、、。

红外光谱仪的组成如图所示主要包括光源分束器待测样品动镜定镜及计算机系统

1

4

/—

GBT301102013

图1红外光谱仪的组成和测试流程图

5.1.3测试条件

样品的测试条件如下:

):;

a测量温度室温

):;

b大气环境湿度应小于45%

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):,

光谱的波段选取长波方向应保证在透光区测量到的干涉条纹大于个以上短波方向应测量

c3

到材料的透过率小于1%。

5.1.4样品要求

对测试样品的要求如下:

)样品测试区域离外延材料边缘的距离应大于;

a5mm

)样品表面应无损伤和沾污;

b

)();

c衬底背面应为化学机械抛光后的平整表面表面粗糙度应小于0.2m

μ

)衬底厚度应大于。

d300m

μ

5.1.5测试步骤

对样品进行测试的步骤如下:

)();

a对无样品时透过光栏的光即入射光强度进行光谱测量

),;

b将样品放入光路中的测试位置测量区域与光阑孔对准

)对透射光的强度光谱进行测量;

c

)将透射光的强度除以入射光的强度得到样品的透过率光谱。

d

5.1.6参数提取

纵向组分均匀分布的碲锌镉()衬底的碲镉汞外延材料

CdZnTe

-1

:。

方法根据吸收系数为处的波数计算外延材料的组分

1500cm

/():

外延材料中碲镉汞薄膜的厚度按式进行计算

HCdTeCdZnTed1

g

5

/—

GBT301102013

1

……()

d=1

2

nΔv

式中:

n———碲镉汞材料的折射率;

———(),-1。

Δv干涉条纹的波数周期位于能量小于吸收边的波段单位为cm

,,

附录给出了碲镉汞材料折射率与波长和组分的关系在计算时折射率的取值和波数周

Anλx

期的取值应在相同的波段位置。

-1

,

将吸收系数等于时所对应的光子能量定义为禁带宽度它在透射光谱上所对应的

α500cmE

g

():

透过率按式进行计算

Twafer2

TT(d)……()

ex5002

wafer=0p-

式中:

T0———光子能量小于吸收边的透过率。

[]

,()1:

碲镉汞外延材料组分根据它与材料禁带宽度的关系来确定两者的关系按式进行计算

x3

-4()23……………()

E0.3021.93x5.351012xT0.81x0.832x3

g=-++×--+

式中:

———,;

T测量温度单位为K

-1

———,。

吸收系数等于500cm时所对应的光子能量单位为eV

Eα

g

:。

方法根据最大透过率处的波数计算外延材料的组分

250%

将最大透过率处所对应的光子能量定义为禁带宽度,外延材料组分根据它与

50%EHCdTex

gg

,()。

材料的禁带宽度关系来确定两者的关系如式所示

E3

g

式中:

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———,;

T测量温度单位为K

[]

2

———,。

EgEg为50%最大透过率处所对应的光子能量单位为eV

纵向组分非均匀的碲锌镉衬底的碲镉汞外延材料

.1表观组分

,

将组分非均匀分布的碲镉汞外延材料当作均匀材料处理按计算方法得到的组分和厚度即

为材料的特征组分xc和厚度d。

,(),

使用这一方法时需要对碲镉汞外延材料的厚度有较好的控制如±1m不同厚度碲镉汞外延材

μ

料的特征组分没有可比性。

.2组分分布参数

,()():

碲镉汞材料的组分分布由表面组分和组分梯度来表征式给出了组分分布的计算公式

4xz

()()……()

xzxdz4

=+-

sgx

式中:

xs———外延层的表面组分;

gx———外延层的组分梯度;

———,;

d外延层厚度单位为μm

———/,。

z为外延层中材料离HCdTeCdZnTe界面的距离单位为m

gμ

(),

对于液相外延LPE材料高温生长工艺导致碲锌镉衬底和碲镉汞外延层在界面附近形成组分互

[]

,()为该材料的组分分布的计算公式3。

扩散区式5

6

/—

GBT301102013

2z

3

()()()((()))……………()

xzxdz1xd1erf5

=s+gx-+-s-gx-

Δz

式中:

———,。

Δz外延层组分扩散区的厚度单位为μm

图/外延材料光正向传输的示意图

2HCdTeCdZnTe

g

/,,

在外延材料中具有纵向组分梯度分布的碲镉汞薄膜需要采用相干的多层模

HCdTeCdZnTe

g

,,,

型来计算碲镉汞材料的红外透射光谱但外延材料的碲锌镉衬底厚度较厚不能采用相干的计算模型

,,。/

因此在计算外延材料的红外透射光谱时两者需分开处理图给出外延材料光

2HCdTeCdZnTe

g

,,可用式

正向传输的示意图入射光从上表面入射到碲镉汞外延层经过外延层与衬底后的透过率Twafer

[]

()进行计算4:

6

++

TT

ab

……()

Twafer=-+6

1RR

-

ab

式中:

+

Rb———碲锌镉和空气界面上的反射率;

+

Tb———碲锌镉和空气界面上的透射率;