[发明专利]一种硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及晶体外延生长技术领域，尤其涉及一种硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法。

背景技术

高质量的碲镉汞HgCdTe薄膜是制备高性能碲镉汞红外焦平面探测器的主要材料，传统碲镉汞薄膜的制备方法主要以碲锌镉CdZnTe单晶材料为衬底，采用液相外延或分子束外延的方法。随着第三代碲镉汞红外焦平面技术向着大规模、高性能、双多色方向发展，传统碲锌镉基的碲镉汞材料由于碲锌镉晶体生长困难，难以获得大面积的晶体材料。另外，碲锌镉基的衬底的机械强度较低、晶体均匀性较差、衬底杂质多、价格昂贵等缺点逐渐成为制约碲镉汞红外探测技术发展的瓶颈。

与传统的碲锌镉基的衬底相比，硅基碲镉汞薄膜具有以下几个优点：①较大的可用面积；②较低的材料成本；③与硅读出电路的热应力自动匹配；④较高的机械强度和较好的衬底表面平整度；⑤较高的热导率。

近年来，随着技术的发展，外延III-V族材料所采用的增强型分子束迁移技术(Migration-Enhanced Epitaxy,缩写MEE)也逐渐被应用于外延II-VI族材料。分子束外延方法外延硅基碲镉汞材料存在一个较大的困难，由于硅材料和碲镉汞之间存在着较大的晶格失配，失配度可达到19.3％。在硅基上外延碲镉汞的过程中不可避免地引入大量的穿越位错，比碲锌镉基的碲镉汞材料高不止一个数量级。因此，通常的做法是在硅基上外延碲化镉CdTe缓冲层，以减小晶格失配度。

高质量的硅基碲化镉复合衬底是硅基碲镉汞材料制备的重要前提。硅基碲化镉复合衬底外延也需要克服硅材料与碲化镉材料之间较大的晶格失配度，并且为了保证外延材料的质量，控制外延晶向，抑制位错、多晶、孪晶的生成，在外延碲化镉材料的过程中也需要外延一层缓冲层材料。经过多年的研究，硅基和碲化镉材料之间外延碲化锌ZnTe缓冲层。碲化锌与碲化镉的晶格结构相同，晶格尺寸介于硅材料与碲化镉之间。早期使用分子束外延方法外延碲化锌缓冲层采用单独的碲化锌泄流源进行，但是，在外延过程中碲化锌易生长出孪晶。因此，需要一种硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法。采用这种硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法得到的碲化锌缓冲层的单晶化好，结晶度高，并且提高硅基碲化镉复合衬底的质量。

本发明采用的技术方案包括：

一种硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法，其包括：砷层形成步骤：在硅衬底的上表面上采用砷束流进行表面钝化，以在所述硅衬底的上表面上形成砷层；碲化锌缓冲层形成步骤：在所述砷层的上方通过碲束流外延单个碲层，在所述单个碲层的上表面上通过锌束流外延单个锌层，以在所述砷层上形成第1个周期层，其中，周期层包括单个碲层和设置于所述单个碲层的上表面上的单个锌层，在所述第1个周期层的上表面上顺次叠置n-1个周期层，以形成包括n个周期层的碲化锌缓冲层，n为正整数。

优选地，所述碲化锌缓冲层形成步骤中：通过碲束流在所述砷层的上表面上钝化形成钝化碲层，在所述钝化碲层的上表面上外延所述单个碲层。

优选地，所述碲化锌缓冲层形成步骤中，顺次叠置29个周期层-119个周期层。

优选地，所述外延工艺的外延温度为270℃-320℃，所述外延工艺中外延单个碲层和单个锌层的外延时间均为5s-20s。

优选地，所述方法，还包括：所述碲化锌缓冲层形成步骤之后，在碲束流的保护下，对所述碲化锌缓冲层进行退火处理。

优选地，所述退火处理的退火温度为350℃-400℃，退火处理的退火时间为5min-30min。

优选地，所述方法，还包括：在所述砷层形成步骤之前，对所述硅衬底执行高温脱氧步骤：在高真空条件下，将硅衬底加热至800℃-850℃，保温10min，以使所述硅衬底的表面达到原子级洁净。

采用上述技术方案，本发明至少具有下列优点：

本发明所述的硅基碲化锌缓冲层分子束外延工艺方法通过碲源和锌源两个独立的分子束流源来进行碲化锌缓冲层的外延，从而抑制碲化锌缓冲层出现孪晶的现象，单晶度好，且碲化锌缓冲层的位错密度低。简化外延工艺，提高工艺效率。进一步地，碲化锌缓冲层形成步骤之后，执行退火工艺，并采用碲束流保护，由此提高晶体质量，获得性能优良的碲化锌缓冲层，进而提高硅基碲化镉复合衬底的质量，给硅基碲镉汞材料的外延打下良好基础，为第三代大面阵红外焦平面材料的发展带来较大的贡献。

附图说明