[发明专利]用于液相外延方法生长碲镉汞材料的衬底材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于红外探测材料的衬底材料及制备方法，特别是涉及一种用于液相外延方法生长碲镉汞材料的衬底材料及制备方法。

背景技术

碲镉汞红外焦平面探测器广泛应用于预警探测、情报侦察、毁伤效果评估以及农牧业、森林资源的调查、开发和管理，气象预报，地热分布、地震、火山活动，太空天文探测等军事和民事领域。随着红外技术的发展，碲镉汞探测器阵列规模的不断扩大，对探测器性能有了越来越高的追求，因此作为探测器核心材料的碲镉汞材料尺寸和性能提出了更高的要求。目前应用的碲镉汞材料主要是采用外延方法(液相外延、分子束外延等)生长的薄膜材料，可通过调整碲镉汞中碲化镉的含量来获得探测不同红外波长的探测材料。其中液相外延方法生长的薄膜材料的性能是最高的，并且也是目前国际上生产和研究红外焦平面探测器所使用的最主要的材料。碲镉汞液相外延衬底的晶格常数是决定碲镉汞薄膜质量的关键因素，由于探测不同波段的碲镉汞薄膜材料的晶格常数是不同的，因此制备不同组分的长波、中波和短波碲镉汞材料需要采用不同晶格常数的衬底材料。

当前碲镉汞液相外延方法采用的衬底主要是碲锌镉单晶材料，以及部分替代复合衬底材料，如Si/GaAs/CdTe，Si/CdTe，Ge/GaAs/CdTe，Al₂O₃/GaAs/CdTe等。

碲锌镉单晶材料作为红外探测器衬底材料具有如下优点：通过调节组分(锌值含量)可使碲锌镉晶格常数与红外探测器碲镉汞材料晶格良好匹配；其热膨胀系数与碲镉汞材料比较接近，碲锌镉材料在1-30μm红外波段上有较高透过率，具有高电阻率。

碲锌镉单晶材料主要是采用布里奇曼法、垂直梯度凝固法、移动加热器法等晶体技术生长的。但由于碲锌镉本身的物理、化学特性，决定了用上述晶体技术生长的碲锌镉单晶的尺寸、性能及成品率非常低。另外，虽然在理论上可通过调节晶体材料配方可获得不同组分的衬底，实现碲锌镉晶格常数与碲镉汞材料晶格良好的匹配，但由于锌组分在晶体生长过程中具有明显的分凝作用，获得大面积组分均匀的碲锌镉衬底非常困难。

替代复合衬底材料也主要是通过在Si、Ge或Al₂O₃衬底上生长碲化镉单晶薄膜来用作碲镉汞外延的衬底，虽然可实现大面积低成本，但是碲化镉固定的晶格常数与不同组分的碲镉汞材料匹配性相对于碲锌镉较差。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种用于液相外延方法生长碲镉汞材料的衬底材料，该方法利用碲锌镉薄膜外延生长方法制备出与碲镉汞晶格常数完全匹配的碲锌镉单晶薄膜，该外延膜晶格质量高，组分可针对短波、中波、长波碲镉汞材料晶格常数灵活调整。

一种用于液相外延方法生长碲镉汞材料的衬底材料，其在常规衬底材料上，再生长一层与碲镉汞晶格常数完全匹配的碲锌镉单晶薄膜。

本发明所述的衬底材料，其中所述常规衬底材料为碲锌镉衬底或Si/GaAs/CdTe、Si/CdTe、Ge/GaAs/CdTe、Al₂O₃/GaAs/CdTe复合衬底。

本发明所述的衬底材料的液相外延生长方法，以碲锌镉化合物为液相外延生长溶液，按照具有特定响应波长的碲镉汞晶体薄膜的晶格常数来计算与这个晶格常数相同的碲锌镉的固态组分目标值Cd_1-xZn_xTe，根据碲锌镉三元化合物相图，计算与固态组分Cd_1-xZn_xTe相对应的碲锌镉液相外延生长溶液(Cd_1-z，Zn_z)_1-yTey的组分z，根据液相外延的起始生长温度来确定所述生长溶液的组分y，这样通过调节生长溶液的配方来获得不同锌组分的生长溶液，然后通过降温使生长溶液的溶质饱和，此时将所述常规衬底材料与生长溶液接触，则按化学比在衬底上析出与碲镉汞晶格常数完全匹配的碲锌镉单晶薄膜。

本发明所述的液相外延生长方法，采用工艺为水平滑舟式液相外延工艺。

本发明所述的液相外延生长方法，具体包括以下步骤：

(1)配制生长溶液：

按照上述方法确定碲锌镉液相外延生长溶液(Cd_1-z，Zn_z)_1-yTe_y中的组分y和z，将Cd、Zn、Te单质元素按上述配方比例配制成为液相外延生长溶液，在石英安瓿中排气、封装，在700℃、10小时条件下，合成为料锭；

(2)液相外延：