$Hg_{1-x}Cd_xTe$ alloy is currently the most utilized infrared photodetector material owing to its high quantum efficiency and bandgap tunability by varying the composition x value. Since the surface of ternary narrow bandgap semiconductors is chemically unstable, surface defects are easily formed after chemical surface treatments. Therefore, this dissertation is focused on an effective surface treatment of HgCdTe using hydrazine.
The effects of hydrazine $(N_2H_4)$ treatment on the HgCdTe surface were investigated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), metal-insulator-semiconductor (MIS) capacitance analysis, and current-voltage (I-V) characterization. Hydrazine is a highly reactive base and reducing agent. By the XPS analysis, it was found that the $Te^{4+}$ oxide peak at 576.2 eV disappeared clearly from the surface of HgCdTe after hydrazine treatment. The hydrazine-treated sample showed a near flatband condition, small hysteresis, and a high frequency characteristic in capacitance-voltage (C-V) measurements. The fixed charge and slow surface state density of the hydrazine-treated sample were found to be only $7.5 x 10^9 cm^{-2}$ and $3.74 x 10^{10} cm^{-2}$, respectively. The photodiodes fabricated on hydrazine-treated HgCdTe showed R0A values of $~2.5 Ω ㎠$ for a junction area of 30x30 μm², which are about ten times larger than those on bromine-treated HgCdTe.
A possible chemical reaction mechanism for hydrazine reduction etching was discussed using principles of thermodynamics, XPS, I-V, and C-V analyses. A calculated chemical equation suggests that oxidized $Te^{4+}$ and elemental $Te^0$ can be removed by chemical reaction with hydrazine, forming volatile $H_2Te$, which corresponds well with the XPS results. XPS showed that oxidized $Te^{4+}$ and elemental $Te^0$ peaks clearly disappeared from the HgCdTe surface at the detectable limit of the measurement after hydrazine treatment. The markedly improved ideality factor from 1.414 to 1.233 in I-V analysis, and the reduced interface trap density from $1.5 x 10^{13}$ to $2.5 x 10^{11} cm^{-2}eV^{-1}$ by two orders of magnitude in C-V analysis after hydrazine treatment clearly support the reduction of surface generation-recombination centers. The enhanced interface properties by hydrazine treatment can be ascribed to the reduction in elemental $Te^0$, which is believed to play a role as surface g-r centers. The XPS, I-V, and C-V results showed the close relationship between surface g-r centers and elemental $Te^0$.
The gamma radiation effects on the CdTe-passivated MWIR HgCdTe photodiodes fabricated with one of two different surface treatments using bromine, $Br_2$, or hydrazine, $N_2H_4$ were analyzed. Regardless of the dose of gamma radiation, it was found that there was little change in the forward current characteristics for the hydrazine-treated diode in comparison with the bromine-treated diode. The hydrazine-treated HgCdTe diode showed fairly uniform $R_0A$ values of $>10^7 Ω ㎠$ up to 1M rad of gamma irradiation, whereas the bromine-treated HgCdTe diode showed an abrupt change in $R_0A$ values from $~10^6 Ωcm^2$ to $~10^7 Ω ㎠$ after gamma irradiation. Thus, the hydrazine-treated sample showed more stable current characteristics under gamma irradiation in comparison with the bromine-treated sample.
From the practical point of view, excellent surface flatness of HgCdTe wafers is essential for fabricating large infrared focal plane arrays (IRFPAs) within the framework of a flip-chip bonding yield. However, liquid phase epitaxy (LPE) HgCdTe wafers, which are widely used for IRFPA, have inherent problems pertaining to the surface flatness. In Appendix, single-point diamond turning (SPDT) method was introduced for use in fabricating LPE HgCdTe photodiodes. The cutoff wavelength of the wafers is ~ 5μm. The surface roughness of LPE wafer has been substantially reduced and the fabricated photodiode showed $R_0A$ of $~1 x 10^4 Ω ㎠$ for a junction area of 30x30 μm²at 80 K, which is equivalent to that of the conventional photodiode. The flip-chip bonding efficiency has been remarkably improved from 89.43 % to 99.99 % for 320 x 256 IRFPA at room temperature after SPDT.
$Hg_{1-x}Cd_xTe$ 는 II-VI 화합물 반도체로서 수은(Hg)과 카드뮴(Cd)의 조성비(x)를 조절함으로써 밴드갭을 변화시킬 수 있으며, 양자효율이 높기 때문에 적외선 감지소자를 제작하는 데 있어서 현재 가장 널리 사용되는 물질이다. 그러나, HgCdTe는 3원소 화합물이므로 화학적으로 불안정하기 때문에 기계적 또는 화학적 표면처리에 의해 결함이 쉽게 발생할 수 있다.
본 논문에서는 고성능 HgCdTe 적외선 감지소자를 제작하는 데 필수적인 표면처리에 관한 연구를 수행하고자 하였다.
제 3 장에서는 기존에 널리 사용되고 있는 브롬 식각법의 문제점을 해결하는 대안으로서 히드라진을 이용한 환원식각법에 관하여 기술하였다 히드라진은 로켓 연료 등에 사용되는 강력한 환원제이다. 브롬 식각 이후에 HgCdTe의 표면은 금속 Te $(Te^0)$ 및 $TeO_2$ 가 표면에 형성되기 쉬우며, 이는 다이오드 소자의 특성을 저하시키는 누설전류를 발생시키는 원인으로 추정된다. 브롬 식각 후에 공기 중에서 표면 산화 후 히드라진을 이용하여 환원을 시킨 경우 X-ray 광전자분광법 (XPS)으로 관찰한 결과, 브롬 식각 후 공기 중에 노출함으로써 크게 증가되었던 $Te^{4+}$ peak 및 O 1s peak이 측정시스템으로는 관측이 어려울 만큼 깨끗하게 제거되었다. 또한 Gaussian/Lorentzian 방법을 이용하여 peak을 분리한 결과, 히드라진 환원처리 이후에 금속Te $(Te^0)$ peak도 깨끗하게 사라졌다. 이와 같이 히드라진 환원처리를 통한 표면누설전류의 원인으로 추정되는 산화 Te ($Te^{4+}$) 및 금속 Te $(Te^0)$ peak의 효과적인 제거로 인해 HgCdTe의 표면특성이 향상될 것으로 기대된다. 제작된 커패시터의 전압 특성은 이를 뒷받침한다. 히드라진 처리한 시편은 고주파 특성을 보이며, 이는 소수 전자의 수명이 증가하였음을 의미한다. 또한, 이상적인 flatband 조건을 만족하고, 히스테리시스 폭이 브롬 처리한 시편의 절반 이하로 나타나는데, 이는 각각 $7.5 x 10^9 cm^{-2}$ 의 고정전하밀도 및 $3.74 x 10^{10} cm^{-2}$ 의 slow-state 밀도에 해당한다. 이와 함께 커패시턴스 값이 전압에 따라 이상적인 커패시턴스의 하한값까지 변화한다. 히드라진 처리 후 제작된 다이오드는 접합면적이 $30 x 30 μ㎡$ 인 경우 $~2.5 Ω㎠$ 의 R0A 값을 가지는데, 이 값은 브롬 처리 후 제작된 다이오드 특성보다 1 order가 높은 값이며, 90 % BLIP 조건을 만족한다.
제 4 장에서는 열역학, XPS, I-V, 및 C-V 분석을 통하여 히드라진 환원식각 시 발생하는 HgCdTe 표면에서의 화학반응에 관하여 고찰하였다. 열역학 반응식을 통해 산화 Te 및 금속 Te이 히드라진과 반응하여 기체인 $H_2Te$ 을 형성함으로써 HgCdTe 표면으로부터 제거될 수 있음을 보였으며, 이러한 화학반응식은 XPS 결과와 일치한다. 히드라진 처리 후, I-V 분석에서 이상요소 (ideality factor) n값이 1.414에서 1.233으로 감소하였으며, C-V 분석에서는 계면트랩 농도가 $1.5 x 10^{13}$ 에서 $2.5 x 10^{11} cm^{-2}eV^{-1}$ 로 감소하였다. 이러한 결과는 표면 생성-재결합 인자가 감소하였음을 입증한다. XPS, I-V, 및 C-V 분석을 통해, 금속 Te이 표면 생성-재결합 인자로서 작용하는 것으로 추정된다.
제 5 장에서는 히드라진 처리한 중파장대역의 HgCdTe 감지소자에 대해 감마 방사능의 영향을 조사하였다. 히드라진 처리한 다이오드의 경우, 브롬 처리한 다이오드와는 달리 누적된 감마조사량에 상관없이 일정한 정방향 전류 특성을 보였다. 또한, 히드라진 처리한 다이오드는 1M rad의 누적된 감마조사량에도 불구하고 $10^7 Ω㎠$ 이상의 상당히 안정적인 $R_0A$ 값을 유지하였는데, 금속 Te이 이러한 현상과 밀접한 연관성을 갖는 것으로 추정된다.
실용적인 관점에서 볼 때, HgCdTe의 표면평탄도는 flip-chip 본딩 수율 측면에서 대면적 적외선 초점면배열 (IRFPA)을 제작하는 데 있어서 필수적이다. 그러나, 적외선 초점면배열에 널리 사용되는 액상 에피택시 (LPE) HgCdTe 웨이퍼는 표면평탄도에 있어서 내재된 문제점을 안고 있다. 부록에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 시도로서 단결정 다이아몬드 회전절삭법(SPDT)을 소개하였다. SPDT 이후에LPE 웨이퍼의 표면거칠기는 peak-to-valley 값이 6.35 μm에서 0.1 μm로 극적으로 감소하였으며, 제작된 광다이오드는 30 x 30 μm²의 접합면적에 대해서 $~1x104 Ω㎠$ 의 $R_0A$ 값을 보이는데, 이것은 기존의 광다이오드 특성과 대등한 값이다. 또한 SPDT 이후에 상온에서 측정된 320 x 256 적외선 초점면배열에 대한 flip-chip 본딩 효율이 89.43%에서 99.99%로 극도로 향상되었다.
