专利名称：掺锑、砷新型碲镉汞改性化合物及其单晶与薄膜材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一类新型碲镉汞改性红外材料化合物及其单晶和薄膜材料。
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。与第一代和第二代红外材料相比，MCT材料具有以下优点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；光学系数较大，有高的吸收系数和高的量子效率；空穴电子有效质量比大，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，主要反映为结构完整性和稳定性差，组分不均匀；镉组元的分凝系数大，导致制得地红外探测器的截止波长因镉的微量变化而发生明显变化；制备长波响应红外探测材料较困难。
早期MCT材料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、金属有机化学气相外延法、金属有机物汽相外延以及分子束外延等。其中液相外延、金属有机物汽相外延以及分子束外延工艺较成熟，得到的材料性能也较好。但其缺陷是工艺复杂，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材料最大的缺陷是Hg-Te键很弱，从而影响其化学稳定性，使得结构完整性较差，晶体缺陷增多，造成光伏性降低，限制材料向器件的发展。因此，许多研究者一直在努力通过改进工艺以及添加适当的“杂质元素”来克服Hg-Te键弱的缺点。在工艺方面，现在较成熟的工艺就是外延和汽相沉积的方法，这些工艺均可使其缺陷得到一定程度的改善，但无法完全克服它。目前，“杂质元素”使用较多的是第七主族元素，如Cl、Br、I等，以部分替代碲原子的位置，从而克服Hg-Te键弱的缺点。但是，由于第七主族元素比碲电负性大，其化学性质差别较大，导致得到材料的光伏性较差。
发明内容
本发明的目的是找到一些合适的元素对MCT红外材料进行性能改善，从而得到一种带隙宽度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，而性能却仍可达到MCT材料的水平的新型碲镉汞改性红外材料。
由于MCT材料最大的缺点是Hg-Te键弱以及汞的蒸汽压较大，导致MCT材料的稳定性和均匀性较差；晶体材料容易形成位错、偏析和缺陷；高质量大尺寸的体单晶材料和薄膜材料不易制备，从而限制材料向器件的发展。基于此，我们采用加入第五主族元素，如As或Sb，来部分替代MCT材料碲原子的位置，由于第五主族元素会与MCT材料中金属离子，如汞离子，形成较强的化学键，从而克服由Hg-Te键较弱而带来的材料缺陷，较易制备出性能较好、尺寸较大的单晶材料和薄膜材料，即Hg1-xCdxTe1-yAs2y/3及Hg1-xCdxTe1-ySby，(0＜x＜1，0＜y＜1)。
另一方面，该红外材料的带隙可通过调整材料组份的配比即改变x和y值而得到不同的带隙宽度。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，从而克服MCT材料由于汞在材料中含量太高而造成的材料稳定性和均匀性较差的缺点。
最后，由于第五主族元素As以及Sb和第六主族元素碲均很靠近，它们的晶格常数以及化学特性有较大的相似。从理论上来说，这可使制得的新型红外材料与MCT红外材料在结构上有较大的相似性，从而使它与MCT红外材料在红外性能方面有较大的相似性。
材料制备所采用的工艺为真空中高温固相合成法和布里奇曼法，分别得到它的化合物及其单晶材料，用分子束外延方法得到它的薄膜材料。
该新型红外材料具有以下优点化合物制备工艺简单；通过改变x和y值的大小较容易得到窄带隙半导体材料；可较好克服Hg-Te键弱以及汞的蒸汽压较大的缺点，使材料结构稳定，组分均匀；反应条件相对温和，且性能可与MCT材料相当。
具体实施例方式1.化合物的合成本发明提供的化合物生长是采用高真空高温固相合成法或熔融法完成的。其反应式为，0＜x＜1，0＜y＜x或，0＜x＜1，0＜y＜x；，0＜x＜1，0＜y＜1具体操作步骤为将相应质量的反应物装入真空密闭的玻璃管内，然后以40～50℃/h的速率加热至330-900℃，恒温100-240小时，再2～4℃/h的速率降温至100℃，最后关掉电源。从炉中取出玻璃管，可得到针状微晶态的目标化合物。
2.单晶生长Hg1-xCdxTe1-yAs2y/3及Hg1-xCdxTe1-ySby的单晶材料是采用布里奇曼方法制备的。
在坩埚下部放入晶种，将Hg1-xCdxTe1-yAs2y/3或Hg1-xCdxTe1-ySby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-xCdxTe1-yAs2y/3或Hg1-xCdxTe1-ySby四元化合物和晶种，再将其放置于单晶炉顶部，在700～900℃温度下，控制坩埚下降速度为10～30mm/h，即可生长出表面平整光滑的，无宏观和显微缺陷的Hg1-xCdxTe1-yAs2y/3或Hg1-xCdxTe1-ySby单晶体。
3.薄膜材料的生长Hg1-xCdxTe1-yAs2y/3及Hg1-xCdxTe1-ySby的薄膜材料是采用分子束外延方法制备的。
具体工艺过程为分子束外延方法在Riber32P系统中，将Hg，Te，Sb或As，和CdTe四种原料通过束源炉加热到180～240℃，再恒定温度，然后将原料蒸发成原子束或分子束后淀积在以CdZnTe材料做成的衬底上生长Hg1-xCdxTe1-yAs2y/3或Hg1-xCdxTe1-ySby的薄膜材料，其组分可通过调整四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
1.一种掺锑新型碲镉汞改性化合物的制备方法，其特征在于以HgTe、CdTe、As和Cd为原料，采用高真空高温固相合成法或熔融法。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于采用HgTe、CdTe和Cd3As2为原料。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于采用高温固相合成法。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述的高温固相合成法包括以40～50℃/h的速率加热至330-900℃，恒温100-240小时，再2～4℃/h的速率降温至100℃步骤。
5.一种由权利要求4的制备方法制备的掺锑新型碲镉汞改性化合物。
6.一种权利要求4的制备方法，其特征在于采用HgTe、CdTe和CdSb为原料，其余步骤都与权利要求4所述相同。
7.一种由权利要求6的制备方法制备的掺砷新型碲镉汞改性化合物。
8.一种权利要求5的化合物的单晶材料的制备方法，其特征在于采用布里奇曼方法。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于该布里奇曼方法包括在700～900℃温度下，控制坩埚下降速度为10～30mm/h。
10.一种由权利要求8或9的制备方法制备的掺锑新型碲镉汞改性化合物的单晶材料。
11.一种权利要求7的化合物的单晶材料的制备方法，其特征在于采用布里奇曼方法。
12.如权利要求11所述的制备方法，其特征在于该布里奇曼方法与权利要求9所述的方法相同。
13.一种由权利要求11或12的制备方法制备的掺砷新型碲镉汞改性化合物的单晶材料。
14.一种权利要求5的化合物的薄膜材料的制备方法，其特征在于采用分子束外延方法。
15.如权利要求14所述的制备方法，其特征在于该分子束外延方法包括原料通过束源炉加热到180～240℃，再恒定温度，然后将原料蒸发成原子束或分子束后淀积在以CdZnTe材料做成的衬底上生长。
16.一种由权利要求14或15的制备方法制备的掺锑新型碲镉汞改性化合物的薄膜材料。
17.一种权利要求7的化合物的薄膜材料的制备方法，其特征在于采用分子束外延方法。
18.如权利要求17所述的制备方法，其特征在于该分子束外延方法与权利要求15所述相同。
19.一种依权利要求17或18的制备方法制备的掺砷新型碲镉汞改性化合物的薄膜材料。
全文摘要
掺锑、砷新型碲镉汞改性化合物及其单晶与薄膜材料，涉及新型红外材料领域。掺锑、砷新型碲镉汞改性化合物生长是采用高真空高温固相合成法或熔融法；其单晶生长采用布里奇曼方法；其薄膜材料采用分子束外延方法制备。本新型红外材料是一种带隙宽度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，而性能却仍可达到MCT材料的水平的新型碲镉汞改性红外材料。
文档编号C30B29/10GK1858307SQ200510069840
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