[发明专利]碲镉汞分子束外延材料真空热处理方法

说明书

本发明涉及单晶或具有一定结构的均匀多晶化合物材料的后处理技术，特别是碲镉汞(HgCdTe)分子束外延(MBE)材料P型热处理工艺。

用HgCdTe外延材料制成的P-N结可对红外信号进行探测，目前这种探测器已发展到大规模焦平面列阵探测器。用红外焦平面探测器发展起来的红外成象光电子探测技术已在武器制导、航天、航空遥感，气象预报，医学、工农业生产和环境保护等领域中得到广泛应用。

P型热处理是制作P-N结的一个重要环节，HgCdTe材料的P型受主分汞空位型和掺杂型两种，本专利涉及的是通过产生和控制HgCdTe材料汞空位浓度，从而控制材料P型受主浓度的一种新工艺，用P型HgCdTe材料作基底材料制作N-on-P型红外焦平面器件在一些国家已经开始批量生产。

碲镉汞材料P型热处理技术已有很长的历史，经过对碲镉汞材料固气相图的研究，人们发现材料的汞空位浓度与热处理温度和汞压有关，并从实验上证实了它们之间的对应关系，将汞源和样品分置在真空封闭的石英安瓿的两头，通过加热炉分别控制汞源和样品的温度，并维持足够的时间让材料中的汞空位达到热平衡，这就是人们以往一直使用的碲镉汞材料P型热处理工艺，如H．R．Vydyanath在J．Electrochem．，Soc．，128(1981)2609中对Hg_0．8Cd_0．2Te体材料P型热处理作了较为全面的研究。

然而，随着外延技术的发展，薄膜材料得到了越来越广泛的应用。为获得大面积组分均匀的HgCdTe薄层材料，人们研究发展了分子束外延技术(MBE)。但是由于MBE技术生长HgCdTe材料的温度范围很小(180℃～200℃)，生长出的材料呈不均匀的N型，材料无法直接为器件使用，需经过热处理调整到焦平面器件所需的电学参数。

然而，传统的热处理技术由于封管前样品表面必须接触空气，样品表面如果接触空气很容易在表面形成氧化物，并吸附大量的杂质元素(如C，Cu，Ca，K，Na等)，这些表面杂质元素在热处理过程中扩散到材料体内是造成材料沾污的主要因素之一。表面沾污和表面化学配比失调对外延材料的影响显得非常严重，从而使得传统热处理的方法的可重复性、工艺稳定性等不尽人意。另外，固气两相之间的镉和碲元素在热处理过程中处于非平衡状态，所引起的表层化学配比失调也会影响薄膜材料的电学参数。而器件对材料电学性能要求十分苛刻，一般要求P型载流子浓度为0．8～2×10¹⁶cm^-2，迁移率大于500cm²／vs，这就要求为MBE技术生长HgCdTe薄膜材料提供有效的热处理工艺。

法国的LETI针对LPE材料提出了用ZnS钝化层进行真空热处理的P型热处理工艺，如G．L．DESTEFANIS，J．Crystal Growth，86，700(1988)。

本发明的目的在于提供一种不受样品表面沾污的碲镉汞分子束外延材料真空热处理方法，处理后使材料的空穴载流子浓度达到预期的效果。

本发明的目的通过如下技术方案完成：利用MBE技术在碲镉汞外延材料上生长一层(10nm以上)的CdTe覆盖层，彻底杜绝了热处理前碲镉汞接触空气或清洗引起的外界沾污。一个实施例是将带有覆盖层的碲镉汞样品直接在MBE的高真空生长室中完成热处理更加保证了外界对碲镉汞材料的沾污。另一个实施例是将MBE生长覆盖层的碲镉汞外延材料放置在真空封闭的石英安瓿内(不含汞源)进行热处理，即对样品加热一段时间后，经空气冷却至室温后取出，也能获得P型材料。两种方法的结果均显示P型热处理的成功率100％，对部分试验结果的统计表明，P型电学参数值的标准差小于30％，并且，研究表明P型材料的电参数优良，纵向均匀性和时间稳定性良好，P型载流子浓度可以通过改变热处理温度进行调整，将热处理温度控制在200℃到320℃范围内，碲镉汞外延材料77K温度下的空穴浓度可控制在5×10¹⁵到5×10¹⁶cm^-3，这一电学性能指标适合于N-on-P结构碲镉汞红外焦平面器件的应用。