专利名称：汞铟碲锑化合物及其单晶材料、薄膜材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及新型红外材料。
背景技术：
由于碲镉汞(即Hg1-xCdxTe，简称MCT)的禁带宽度可以随组分x成近似线性关系地变化的特点，它被应用于制造在特定光谱波段工作的红外探测器。MCT材料具有以下优点1)MCT是直接带隙型材料，其光生载流子的寿命较长，且暗电流较小，从而使得MCT红外探测器具有较高的探测率；2)MCT材料的光学系数较大，有高的吸收系数和量子效率大于80％；3)空穴电子有效质量比约为100，电子迁移率高。
MCT材料虽然有许多独特的优点，但也自身的一些缺陷，主要反映为1)结构完整性和稳定性差，组分不均匀；2)镉组元的分凝系数大。对MCT材料来说，碲化镉的摩尔数每变化1％，相应的禁带宽度约变化0.01eV，因而使制成的红外探测器的截止波长发生明显变化。3)制备长波响应红外探测材料较困难，因为这要求MCT材料中汞的含量较高，从而使得材料的稳定性和均匀性较差。
经过几十年的研究开发，MCT材料得到长足的发展。当前，它是红外探测器、光电调制器、光电二极管、激光二极管、薄膜太阳能电池、玻璃光纤等光电器件的最主要材料之一。这些器件已广泛用于信息传输、传感、存储，遥感以及军事等方面。
早期MCT材料的制备主要以体单晶为主，其工艺方法主要有布里奇曼法、碲溶剂法、半熔结晶法、移动加热器法以及气相生长法等。但这些工艺都无法克服由于MCT材料中Hg-Te键较弱而造成的材料稳定性和均匀性较差的缺点。而薄膜材料生长方法主要有液相外延、金属有机化学气相沉积法、金属有机物汽相外延以及分子束外延等。其中液相外延、金属有机物汽相沉积以及分子束外延工艺较成熟，得到的材料性能也较好。但其缺陷较为严重，工艺复杂，材料性能受外界因素影响较大且很敏感，生产成本较高。
由于MCT材料存在固有的缺陷，研究者一直在寻找高性能的新型材料以取代MCT材料。至今，有关这方面的研究报道也比较多，诸如Hg1-xZnxTe、Hg1-xMnxTe、PbSnTe、PbSnSe及InAsSb等类碲镉汞新型红外材料，但其综合性能还无法超越MCT材料。
发明内容
本发明的目的是找到一种带隙在较宽范围内可调整，结构稳定，组分均匀，制备工艺相对简单，性能可与MCT材料相媲美的新型红外材料。
由于MCT材料是通过碲化汞和碲化镉形成的三元化合物，其带隙随碲化镉组份的变化几乎成线性变化。基于此，我们采用锑化铟替代碲化镉，与碲化汞形成类似的四元化合物汞铟碲锑材料，即Hg1-xInxTe1-xSbx(0＜x＜1)。该四元化合物的单晶衍射结果表明它的晶体结构为闪锌矿结构。锑化铟与碲化汞的晶体结构为异质同构，属于闪锌矿结构，晶格常数也非常接近，这将使得碲化汞和锑化铟之间的碲原子与锑原子，以及汞原子与铟原子，进行晶格位置相互替换，形成稳定性和均匀性较好的红外材料，同时汞铟碲锑材料的带隙也可通过调整化合物组份的配比即改变x值而得到不同的带隙宽度。由于锑化铟的带隙为0.18eV，它比带隙为1.50eV的碲化镉更小，这将有利于窄带隙红外材料的制备以及材料宽组分的调控，从而可以克服MCT材料由于汞元素组分含量太大而造成的材料稳定性和均匀性较差的缺点。
材料制备所采用的工艺为真空中高温固相合成法，以制备汞铟碲锑的四元化合物，用布里奇曼法生长其单晶材料，用分子束外延方法制备汞铟碲锑的薄膜材料。
新型汞铟碲锑材料具有以下优点化合物制备工艺简单；通过改变x值的大小较容易得到窄带隙半导体材料且x可在较宽的范围内变化；反应条件相对温和，尤其体单晶的生长更加方便可行；材料结构稳定，组分均匀，性能可与MCT材料相当。
具体实施方案1.汞铟碲锑四元化合物的合成汞铟碲锑四元化合物是采用真空中高温固相合成法得到的。其反应式为.
具体操作步骤为将相应质量的反应物装入密闭的真空玻璃管加热，以40～50℃/h的速率升温至300-800℃，恒温72-144小时，再以2～5℃/h的速率降温至100℃，最后关掉电源。取出玻璃管，可得到块状微晶态的目标化合物。
2.单晶生长在坩埚中加入晶种，将Hg1-xInxTe1-xSbx四元化合物压块放置于坩埚中的晶种上，然后将其坩埚置于单晶炉中，熔化Hg1-xInxTe1-xSbx四元化合物和晶种，再将它们放置于单晶炉顶部，在550～650℃温度下，控制坩埚下降速度为10～50mm/h，即可生长出表面平整光滑的，无宏观和显微缺陷的Hg1-xInxTe1-xSbx单晶体。
3.汞铟碲锑薄膜材料生长汞铟碲锑薄膜材料生长是采用分子束外延方法完成的。
具体工艺过程为分子束外延方法在Riber32P系统中，将Hg.Te和InSb三种原料通过束源炉加热到170～220℃，再恒定温度，然后将原料蒸发成原子束或分子束后淀积在用CdZnTe材料做成的衬底上生长汞铟碲锑薄膜材料，其组分可通过调整三种原料蒸发的相互比例而获得，而薄膜厚度可根据要求调整反应时间。
权利要求
1.一种汞铟碲锑四元化合物的合成方法，其特征在于以HgTe与InSb为原料，采用真空中高温固相合成法。
2.如权利要求1所述的合成方法，其特征在于所述的真空中高温固相合成法包含以40～50℃/h的速率升温至300-800℃，恒温72-144小时，再以2～5℃/h的速率降温至100℃步骤。
3.一种采用权利要求1或2的合成方法制备的汞铟碲锑四元化合物，其晶体结构为闪锌矿结构。
4.一种汞铟碲锑单晶的制备方法，其特征在于生长温度为550～650℃，控制坩埚下降速度为10～50mm/h。
5.一种采用权利要求4的制备方法生长的汞铟碲锑单晶。
6.一种汞铟碲锑薄膜材料的生长方法，其特征在于采用分子束外延方法生长。
7.一种权利要求6所述的生长方法，其特征在于所述的分子束外延方法包括将Hg，Te和InSb三种原料通过束源炉加热到170～220℃，再恒定温度，然后将原料蒸发成原子束或分子束后淀积在CdZnTe材料做成的衬底上生长。
8.一种由权利要求6或7的生长方法制备的汞铟碲锑薄膜材料。
全文摘要
汞铟碲锑化合物及其单晶材料、薄膜材料，涉及新型红外材料。该化合物由HgTe与InSb采用真空中高温固相合成法得到。其晶体结构为闪锌矿结构。其单晶材料生长生长温度为550～650℃，控制坩埚下降速度为10～50mm/h。其薄膜材料采用分子束外延方法生长。汞铟碲锑化合物及其单晶材料、薄膜材料是一种带隙在较宽范围内可调整，结构稳定，组分均匀，制备工艺相对简单，性能可与MCT材料相媲美的新型红外材料。
文档编号C30B29/10GK1858002SQ200510067199
公开日2006年11月8日 申请日期2005年5月1日 优先权日2005年5月1日
发明者邹建平, 郭国聪, 陈文通, 蔡丽珍, 赵振乾 申请人:中国科学院福建物质结构研究所