学术研究报告：HgCdTe外延薄膜中针状缺陷的形成机制及抑制方法

一、研究团队与发表信息
本研究由Ruotong Yin、Wenxin Li、Yan Chen等来自中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室、复旦大学光电研究院、华东师范大学等机构的研究团队合作完成，成果发表于*Appl. Phys. Lett.*期刊（2025年8月26日，卷127，文章编号082104）。

二、学术背景与研究目标
HgCdTe（汞镉碲，MCT）是一种可调带隙的II-VI族半导体材料，广泛应用于中长波红外探测器。分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE）是制备高性能MCT薄膜的关键技术，但其生长过程对参数波动极为敏感，易产生针状缺陷（needle-like defects）。这类宏观缺陷会形成漏电通道，降低探测器信噪比。
本研究旨在揭示针状缺陷的形成机制，并提出抑制方法。通过控制MBE生长温度、结合高分辨透射电镜（HRTEM）和几何相位分析（GPA）等技术，阐明缺陷的原子结构及应变分布，最终优化工艺以提升薄膜晶体质量。

三、研究流程与方法
1. 样品制备
- 生长系统：使用KIP 410 MBE系统，在CdZnTe（CZT）(211)B衬底上生长9μm厚MCT薄膜，生长速率4.32 μm/h。
- 源材料：高纯度（7.5N）CdTe、Te和Hg，Te和CdTe束流等效压力（BEP）分别控制在1.5×10⁻⁵ kPa和6.0×10⁻⁶ kPa。
- 衬底处理：溴-甲醇溶液蚀刻后，依次用甲醇、丙酮、乙醇和去离子水清洗。

1. 缺陷表征

   • 形貌分析：采用Nomarski微分干涉显微镜（DIC）、扫描电镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）统计针状缺陷密度（约3×10⁶ cm⁻²），测量其尺寸（长度3–15 μm，宽度0.3–1.5 μm，深度30–70 nm）。
     
   • 电学性质：通过开尔文探针力显微镜（KPFM）和导电AFM（C-AFM）发现缺陷区域存在表面电位梯度（-105至-176 mV）和局部高导电路径（电流-114至286 pA），证实其作为漏电通道的机制。
     

2. 微观结构解析

   • HRTEM与GPA：聚焦离子束（FIB）制备样品，结合GPA分析应变分布。结果显示，针状缺陷与内部空洞（voids）相关，空洞周围存在沿生长方向传播的应力场（exx应变分量显著）。
     
   • 元素分布：能量色散X射线谱（EDS）表明空洞边缘Te富集，证实Te扩散不均匀是空洞形成的主因。
     

3. 温度调控实验

   • 实时监测：红外高温计发现生长后期表面温度升高（临界阈值约163°C），导致Hg脱附加剧和Te扩散增强，引发应力累积。
     
   • 工艺优化：通过精确控制终止温度，将X射线双晶摇摆曲线（XRD DCRC）半高宽（FWHM）从147 arc sec降至41.8 arc sec，缺陷密度显著降低。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 缺陷形成机制：生长后期表面温度升高→Te扩散加快→局部Te富集形成空洞→空洞应力向上传播→表面形成针状缺陷。
2. 电学影响：缺陷区域的电位梯度和漏电特性证实其会降低探测器性能。
3. 工艺优化效果：温度稳定后，薄膜晶体质量显著提升（FWHM降至41.8 arc sec），缺陷密度接近零。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次揭示了MBE生长MCT薄膜中针状缺陷的应力驱动机制，提出“空洞-应力-表面缺陷”的关联模型。
2. 应用价值：为高性能红外探测器的材料制备提供了工艺优化方向，尤其是温度控制的关键窗口（如终止温度≤163°C）。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合GPA应变分析和实时温度监测，建立了缺陷形成的动态模型。
2. 技术突破：通过工艺优化将FWHM降至41.8 arc sec，达到国际领先水平。
3. 跨学科意义：为其他应力敏感材料（如III-V族半导体）的缺陷控制提供参考。

七、其他有价值内容
研究团队通过多机构协作，整合了MBE生长、显微表征和电学测试的全链条技术，数据复现性强。此外，提出的温度校准方法（红外高温计与热偶联合标定）可推广至其他MBE系统。