《Surfaces and Interfaces》：Inhibition of Surface Deactivation in HgCdTe via Thermally Robust Al
2O
3 Passivation
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摘要
汞镉碲（HgCdTe）的表面特性从根本上决定了红外光电探测器中的载流子传输动力学和暗电流行为。由于汞空位迁移和碲二聚化导致的表面退化，需要采用原子级钝化策略。值得注意的是，Hg-Te键本身的强度较低，这限制了表面处理的温度范围（<120°C），从而反而影响了材料的高热
摘要
汞镉碲（HgCdTe）的表面特性从根本上决定了红外光电探测器中的载流子传输动力学和暗电流行为。由于汞空位迁移和碲二聚化导致的表面退化，需要采用原子级钝化策略。值得注意的是，Hg-Te键本身的强度较低，这限制了表面处理的温度范围（<120°C），从而反而影响了材料的高热稳定性，并要求进行多步骤的后处理。随着对大尺寸红外焦平面阵列中先进表面钝化技术的需求不断增加，这一挑战变得更加突出。我们的方法结合了氧气等离子体辅助的界面重构和80°C下的Al?O?钝化处理，提高了材料抵抗瞬时热冲击（700°C@30秒）的能力。低温（80°C）下沉积的高导热性Al?O?薄膜有助于实现光电器件的关键表面处理。我们的研究结果为创新的表面调制工艺和热稳定解决方案奠定了基础，为下一代基于HgCdTe的器件在极端条件下的可靠运行铺平了道路。
引言
汞镉碲（HgCdTe）是一种关键的红外材料，由于其优异的光电性能和可调的带隙，在航空航天和民用领域得到了广泛应用[[1], [2], [3]]。表面钝化是制造HgCdTe基探测器设备的关键环节，主要是因为Hg-Te键本身的化学不稳定性[[4], [5], [6]]。接近化学计量的表面状态可以降低表面缺陷密度，抑制表面漏电流，并使载流子传输行为更符合体材料的特点[[7], [8], [9]]。此外，随着像素小型化的趋势，表面特性对器件性能的影响日益显著[10,11]。因此，优化HgCdTe的表面特性对于实现高性能红外探测器至关重要。有效的表面钝化不仅能够减少表面缺陷密度，还能提高材料的稳定性和可靠性，从而提升器件的整体性能。
尽管表面钝化技术在HgCdTe红外探测器中得到广泛应用，但现有方法仍面临诸多挑战[[12], [13], [14]]。目前常用的表面处理技术（如基于扩散技术的处理方法）虽然被广泛采用[15,16]，但Hg和Te的浓度梯度仍然主要受温度影响，导致热稳定性不足[17,18]。此外，HgCdTe的热敏感性和化学反应性使得在高温条件下实现长期稳定的表面钝化变得尤为困难[19]。开发具有高热稳定性的HgCdTe表面处理工艺需要解决HgCdTe材料与钝化层之间的兼容性问题，同时确保钝化涂层在极端热应力下的机械强度和化学惰性[[20], [21], [22]]。研究表明，即便是100 mV的表面电位变化也会影响HgCdTe的带隙[23]，进而直接影响光响应。这凸显了开发具有高均匀性、高密度和热稳定性的钝化策略的必要性——这些属性对于下一代红外探测器至关重要[[24], [25], [26]]。因此，在增强钝化层的热稳定性和耐久性的同时实现有效钝化，仍然是当前HgCdTe红外探测器研究中的关键挑战。
在这项工作中，我们提出了一种利用氧气等离子体辅助的表面处理方法，在HgCdTe上沉积热稳定性极高的Al?O?薄膜。较低的沉积温度（约80°C）确保了HgCdTe的结构完整性。结合等离子体辅助和原子层沉积的集成方法显著提高了钝化膜的热稳定性。与未钝化材料相比，Al?O?钝化的HgCdTe中的声子振动模式在激光功率变化时表现出稳定且可逆的位移。这一现象证实了钝化界面的高热阻力，使其在高达1000 K的热冲击下仍能保持完整性。我们认为，这些发现对于开发新型HgCdTe表面处理技术具有重要的意义，为实现大面积覆盖、高均匀性和优异热稳定性的钝化技术提供了有力途径。
章节摘录
结果与讨论
在钝化膜沉积过程中，现有的热扰动会因Hg-Te化学键的弱本质而引发表面失活，如图1a所示[27]。较高的热扰动势能容易促使Hg-Te键断裂和汞原子迁移，如图1b所示。这最终会导致偏离理想的化学计量组成[28]。尽管Cd–Te键本身具有一定的稳定性...
结论
总结来说，我们设计了一种等离子体辅助的氧化铝钝化策略，有效解决了由热触发表面键断裂引起的HgCdTe表面失活问题。通过利用等离子体诱导的成核位点，我们成功实现了低温沉积的氧化铝与HgCdTe之间的稳定结合。变功率拉曼光谱的结果明确表明，这种钝化方法在...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
CRediT作者贡献声明
黄天天：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论研究、数据整理、概念构思。谢昊：实验研究、数据分析。曹泽坦：数据分析。沈川：概念构思。陈 Lu：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、概念构思。叶振华：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金筹措、概念构思。陈鑫：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金筹措、概念构思。何莉：...
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国科学院战略性先导科技专项（项目编号:XDB0580000, XDB0980000）、中国科学院青年科学基础研究项目（项目编号:YSBR-113）、国家自然科学基金（项目编号:62374168, U2141240, 92064014, 11933006）、国家重点基础研究发展计划（项目编号:25ZR1402542, 25ZR1402543）以及中国科学院青年创新促进协会的支持。
黄天天|谢昊|曹泽坦|沈川|陈 Lu|叶振华|陈鑫|何莉|戴宁
