專利名稱：碲鎘汞材料高溫?zé)崽幚矸椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶或具有一定結(jié)構(gòu)的均勻多晶材料之后處理，特別是用于降低碲隔汞半導(dǎo)體材料位錯(cuò)密度的高溫?zé)崽幚矸椒?，該方法也適用于碲鎘汞材料中摻雜原子電性的激活。
在航天和航空遙感、軍用光電子對(duì)抗技術(shù)、信息技術(shù)及工業(yè)測(cè)溫等領(lǐng)域中，紅外探測(cè)器有著廣泛的應(yīng)用。隨著紅外焦平面探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，大面積碲隔汞(HgCdTe)薄膜材料在制備紅外探測(cè)器中已得到了大量的使用，如何提高材料的質(zhì)量來(lái)滿足紅外焦平面器件的要求是該技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
大面積碲隔汞薄膜材料是用外延技術(shù)在一定的襯底材料上制備而成的，由于襯底與碲鎘汞外延層之間的晶格失配，外延材料中會(huì)存在位錯(cuò)缺陷，降低失配位錯(cuò)密度一般需要通過(guò)高溫?zé)崽幚砉に?。另外，目前正在研究和開發(fā)的P-on-N結(jié)構(gòu)的紅外焦平面器件， 也要求用高溫?zé)崽幚韥?lái)激活離子注入摻入的砷原子，即將注入的砷原子送入碲原子的晶格位置，使其成受主型摻雜原子。目前，國(guó)外在碲鎘汞高溫?zé)崽幚砭捎酶邏盒偷臒崽幚硌b置，如J.M.Arias，et.at.，J.Vac.Sci.Technol.，B9(3)，1646(1991)，C.C.Wang et.al.，J.Electrochem.Soc.127(8)，175(1980)，和傳統(tǒng)的用石英安瓿進(jìn)行的汞源熱處理工藝相比，高壓型設(shè)備要求提高了很多。
本發(fā)明的目的在于通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的石英安瓿熱處理方法，提供了和高壓熱處理工藝效果同樣的一種新型的高溫?zé)崽幚矸椒ā?br> 本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案達(dá)到本方法先將樣品和源分置安瓿兩頭，樣品溫度略高于源溫3～5℃，其熱處理源為含碲汞源并加保護(hù)性氣體(Forming Gas)，如氬氣、氮?dú)饣驓錃?，利用碲源和保護(hù)性氣體抑制高溫下碲鎘汞材料自身的絕對(duì)蒸發(fā)量，在400～500℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理。所說(shuō)的Hg-Te熱處理源含碲的原子比例大于汞對(duì)碲的最大溶解度，小于50％；所用保護(hù)性氣體室溫下的壓力在4×104～6×104Pa范圍，既能為熱處理提供足夠的汞壓，同時(shí)又能滿足石英安瓿封管的要求。
為闡述方便，先對(duì)本發(fā)明


如下圖1.為傳統(tǒng)的碲鎘汞石英安瓿汞源熱處理裝置示意圖。圖中示出了密封在石英安瓿1中的碲鎘汞樣品2和汞源3。
圖2.為傳統(tǒng)純汞源490℃熱處理對(duì)碲鎘汞材料表面的破壞情況的形貌圖。
圖3.為用含碲的汞源經(jīng)490℃熱處理后碲鎘汞材料表面形貌圖，其表面受破壞的程度受到了一定的抑制。
圖4.為本發(fā)明采用的充保護(hù)性氣體5和碲源4和汞源3的石英安瓿1碲鎘汞高溫?zé)崽幚硌b置示意圖。
圖5.為采用本發(fā)明后在490℃30分鐘熱處理前碲鎘汞材料表面Nomarski形貌圖。
圖6.為采用本發(fā)明后在490℃30分鐘熱處理后碲鎘汞材料表面Nomarski形貌圖，表面完整性得到很好保持。
圖7.為采用純汞加保護(hù)性氣體經(jīng)490℃30分鐘熱處理后碲鎘汞材料表面形貌圖，仍無(wú)法保持表面的完整性。
圖8.為采用本發(fā)明熱處理工藝前碲鎘汞材料表面位錯(cuò)坑密度的形貌圖。
圖9.為采用本發(fā)明熱處理工藝后碲鎘汞材料表面位錯(cuò)坑密度的形貌圖，表明有效地較低了材料中的位錯(cuò)密度。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的方法作進(jìn)一步闡述和分析。
請(qǐng)參見圖1，傳統(tǒng)的石英安瓿汞源熱處理裝置的示意圖，源和樣品分置安瓿兩頭，汞源溫度略低于樣品3～5℃。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的汞源熱處理工藝在400℃以上時(shí)，碲鎘汞材料的表面將受到嚴(yán)重破壞，理論計(jì)算表明，如Yang Jianrong，J.Crystal Growth，126，695(1993)，高溫下碲鎘汞材料所需的碲原子和鎘原子的平衡蒸汽壓將提高到10-3Pa量級(jí)，表面原子的蒸發(fā)束流達(dá)到1015/cm2s，傳統(tǒng)的汞源熱處理工藝一般均忽略了這一效應(yīng)，未在安瓿中提供相應(yīng)的碲和鎘的蒸汽壓，因此，當(dāng)這種工藝用于高溫?zé)崽幚頃r(shí)，由于碲鎘汞材料表面碲和鎘原子的不斷揮發(fā)，導(dǎo)致了碲鎘汞材料表面層的結(jié)構(gòu)受到了破壞。請(qǐng)參見圖2，在圖2顯示了表面受到破壞的情況。
根據(jù)這一思想，本發(fā)明發(fā)明人改用含10～20％碲的汞源替代純汞源，該源在400℃～500℃范圍內(nèi)，由HgTeO固體和與其平衡的Hg-Te液體組成，從原理上講，只要Hg-Te熱處理源含碲的原子比例大于汞對(duì)碲的最大溶解度、小于50％效果都是相同的。根據(jù)碲鎘汞材料的P-T相圖，在同一溫度下，HgTe的平衡蒸汽壓大于Hg1-xCdxTe晶體材料的平衡蒸汽壓，采用含碲的汞源后，經(jīng)490℃熱處理后，碲鎘汞材料表面受破壞的程度受到了一定的抑制(見圖3)，表面缺陷的密度明顯有所下降，但仍未完全消除熱處理對(duì)材料表面的破壞作用。
若進(jìn)一步改用Hg-Cd-Te源，也可望改善表面質(zhì)量，但源的選取和配制均比較麻煩，實(shí)驗(yàn)中本發(fā)明發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在石英安瓿真空封管之前，在安瓿內(nèi)充入一定量的保護(hù)性氣體，如氬氣、氮?dú)饣驓錃?，可有效地抑制碲鎘汞材料表面原子在高溫下的蒸發(fā)，其原理和高壓熱處理工藝的原理相同，即通過(guò)高壓來(lái)抑制材料表面的蒸發(fā)束流。請(qǐng)參見圖4，在圖4中本發(fā)明發(fā)明人在石英安瓿中引入了4×104Pa～6×104Pa的保護(hù)性氣體，并采用含15％碲的汞源作為熱處理的源，結(jié)果碲鎘汞材料經(jīng)490℃30分鐘熱處理后，表面完整性得到了很好地保持(見圖5和圖6)。但采用純汞加低壓的保護(hù)性氣體的工藝仍無(wú)法保持碲鎘汞材料表面的完整性(見圖7)。因此，本發(fā)明提出采用含碲汞源加保護(hù)性氣體的安瓿熱處理方法完成了對(duì)碲鎘汞材料的高溫?zé)崽幚怼?br> 本發(fā)明發(fā)明人試用上述方法對(duì)在GaAs襯底上用分子束外延生長(zhǎng)的Hg1-xCdxTe材料降低位錯(cuò)的效果進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果如下表所示熱處理?xiàng)l件 位錯(cuò)密度(cm-2)樣品編號(hào) 組分溫度℃ 時(shí)間熱處理前 熱處理后(分)gamct039 0.23490℃30 2×1073×106gamct060 0.228 490℃20 1.5×1072×106結(jié)果表明本發(fā)明可有效地降低碲鎘汞材料中的位錯(cuò)密度。圖8和圖9示出了熱處理前后材料表面位錯(cuò)坑密度對(duì)比的情況。
本發(fā)明的有益效果在于提供了含碲-汞源加保護(hù)性氣體的安瓿熱處理方法，該方法可以避免傳統(tǒng)的汞源熱處理在高溫下對(duì)碲鎘汞材料表面的破壞，用該方法對(duì)碲鎘汞出來(lái)進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗?，碲鎘汞材料的位錯(cuò)下降了將近一個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)，材料表面的完整性得到很好的保持。HgCdTe砷摻雜后，需要高溫?zé)崽幚韺⒃紦?jù)在汞格點(diǎn)上V族的砷原子調(diào)整到VI族碲原子格點(diǎn)上，摻入的砷原子才能形成P型摻雜原子，其高溫?zé)崽幚砉に嚭徒滴诲e(cuò)的工藝是相同的，如S.H.Shin，et.at.，J.Electronic Materials，22(8)，1039(1993)。因此，本方法也同樣適合于碲鎘汞材料中摻雜原子在高溫下的電性激活。
權(quán)利要求
1.一種碲鎘汞材料高溫?zé)崽幚矸椒?，樣品和源分置安瓿兩頭，樣品溫度略高于源的溫度3～5℃，其特征在于其熱處理源為含碲汞源，安瓿內(nèi)加保護(hù)性氣體，利用碲源和氬氣、氮?dú)饣驓錃庖种聘邷叵马阪k汞材料自身原子的絕對(duì)蒸發(fā)量，在400℃～500℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行熱處理。
2.按權(quán)利要求1所規(guī)定的碲鎘汞材料高溫?zé)崽幚矸椒ǎ涮卣髟谟谒肏g-Te熱處理源含碲的原子比例在大于汞對(duì)碲的最大溶解度，小于50％范圍內(nèi)。
3.按權(quán)利要求1所規(guī)定的碲鎘汞材料高溫?zé)崽幚矸椒?，其特征在于所用保護(hù)性氣體室溫下的壓力在4×104～6×104Pa范圍內(nèi)。
全文摘要
一種碲鎘汞材料高溫?zé)崽幚矸椒?熱處理在石英安瓿中完成,熱處理源為含碲汞源,安瓿內(nèi)加保護(hù)性氣體,利用碲源在熱處理系統(tǒng)中提供的碲分壓和保護(hù)性氣體有效地抑制了碲鎘汞材料表面原子的絕對(duì)蒸發(fā)量,用該方法對(duì)碲鎘汞材料進(jìn)行高溫?zé)崽幚砗?碲鎘汞材料的位錯(cuò)下降了將近一個(gè)數(shù)量級(jí),同時(shí),材料表面形貌的完整性得到了很好的保持。該方法也適合于碲鎘汞材料中摻雜原子在高溫下的電性激活。
文檔編號(hào)C30B33/02GK1195038SQ9710666
公開日1998年10月7日 申請(qǐng)日期1997年10月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月17日
發(fā)明者楊建榮, 陳新強(qiáng), 于梅芳, 方維政, 何力 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所