專(zhuān)利名稱(chēng)：碲化汞、碲化鎘和銻化銦共晶結(jié)構(gòu)化合物及其單晶材料和薄膜材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一類(lèi)新型紅外材料的化合物及其單晶材料和薄膜材料。
背景技術(shù)：
由于碲鎘汞(Hg1-xCdxTe，簡(jiǎn)稱(chēng)MCT)的禁帶寬度可以隨組分x成近似線(xiàn)性關(guān)系地變化的特點(diǎn)，它被應(yīng)用于制造在特定光譜波段工作的紅外探測(cè)器。與第一代和第二代紅外材料相比，MCT材料具有以下優(yōu)點(diǎn)MCT材料屬于本征激發(fā)，其光生載流子的壽命較長(zhǎng)，制得地探測(cè)器的探測(cè)率較高；MCT材料的光學(xué)系數(shù)較大，故有高的吸收系數(shù)和量子效率大于80％；，載流子遷移率高。盡管如此，MCT材料也存在一些缺陷，如Hg-Te鍵弱，材料的結(jié)構(gòu)完整性和穩(wěn)定性差，組分不均勻；鎘組元的分凝系數(shù)大從而導(dǎo)致制成的紅外探測(cè)器的截止波長(zhǎng)因鎘組分的微小變化而發(fā)生明顯變化；制備長(zhǎng)波響應(yīng)紅外探測(cè)材料較困難等。
MCT的體單晶材料制備方法主要有布里奇曼法、碲溶劑法、半熔結(jié)晶法、移動(dòng)加熱器法以及氣相生長(zhǎng)法等。這些工藝較成熟但都無(wú)法克服由于MCT材料中Hg-Te鍵較弱而造成的材料穩(wěn)定性和均勻性較差的缺點(diǎn)。MCT薄膜材料制備方法主要有液相外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延法、金屬有機(jī)物汽相外延以及分子束外延等。其中液相外延、金屬有機(jī)物汽相外延以及分子束外延工藝較成熟，得到的材料性能也較好，是現(xiàn)在主要使用的制備方法。但其缺陷較嚴(yán)重，工藝復(fù)雜，材料性能受外界因素影響較大，生產(chǎn)成本較高。
目前，MCT材料主要以響應(yīng)波長(zhǎng)在3～5um的中波段的材料為主，其工藝也較成熟，制得的紅外器件性能也較好，但現(xiàn)在紅外材料的發(fā)展重點(diǎn)是響應(yīng)波長(zhǎng)在8～14um范圍的長(zhǎng)波響應(yīng)紅外材料，它可滿(mǎn)足現(xiàn)在工業(yè)和軍事應(yīng)用的需求。而要制備長(zhǎng)波響應(yīng)的MCT材料比較困難，因?yàn)檫@要求MCT材料中汞的含量較高，而這將導(dǎo)致材料的穩(wěn)定性和均勻性較差，而且它也受到現(xiàn)有工藝水平的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是找到一種帶隙在較寬范圍內(nèi)可調(diào)整，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，組分均勻，且制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，低汞含量而響應(yīng)波長(zhǎng)在中長(zhǎng)波段的且性能可與MCT紅外半導(dǎo)體材料相媲美的新型紅外材料。
由于MCT材料是通過(guò)結(jié)構(gòu)相同，晶格常數(shù)非常接近的碲化汞和碲化鎘形成的三元共晶結(jié)構(gòu)的三元化合物，其帶隙隨碲化鎘組份的變化幾乎成線(xiàn)性變化。銻化銦與碲化汞、碲化鎘的晶體結(jié)構(gòu)均為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)非常接近，因此本發(fā)明提出采用銻化銦部分替代碲化鎘，從而形成一種新型的紅外材料Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby，0＜x＜1，0＜y＜1，該系列紅外材料的晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。銻化銦、碲化汞和碲化鎘晶格匹配性好，，而且它們的熱膨脹系數(shù)也匹配，這將使碲化汞、碲化鎘和銻化銦在一定下條件可具有五元共晶結(jié)構(gòu)的五元化合物，其穩(wěn)定性和均勻性均較好，同時(shí)該化合物材料的帶隙也可通過(guò)x和y值來(lái)調(diào)控。另外，由于銻化銦的帶隙為0.18eV，它比帶隙為1.50eV的碲化鎘更小，這將有利于中長(zhǎng)波響應(yīng)紅外材料的制備以及材料寬組分的調(diào)控，而且在相同汞含量的條件下，與MCT材料相比，本發(fā)明材料的響應(yīng)波長(zhǎng)將更長(zhǎng)，這樣通過(guò)銻化銦部分替代MCT材料中碲化鎘的組份，可使中波響應(yīng)的MCT材料轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)波響應(yīng)的紅外材料，從而可克服在制備長(zhǎng)波響應(yīng)的MCT材料時(shí)由于汞組分含量太大而造成的材料穩(wěn)定性和均勻性較差的缺點(diǎn)。
材料制備所采用的工藝為真空中高溫固相合成法，以制備Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby(0＜x＜1，0＜y＜1)五元化合物，用布里奇曼法生長(zhǎng)其單晶材料，用分子束外延方法制備Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby(0＜x＜1，0＜y＜1)的薄膜材料。
該材料具有以下優(yōu)點(diǎn)化合物制備工藝簡(jiǎn)單；通過(guò)改變x和y值較容易制備中長(zhǎng)波響應(yīng)紅外探測(cè)材料；與MCT材料相比，對(duì)應(yīng)相同的汞含量其響應(yīng)波長(zhǎng)可由中波段向長(zhǎng)波方向移動(dòng)；反應(yīng)條件相對(duì)溫和；材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，組分均勻，性能可與MCT材料相當(dāng)。
具體實(shí)施例方式1.化合物的合成Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby五元化合物是采用真空高溫固相合成法得到的。其反應(yīng)式為.
具體操作步驟為將相應(yīng)質(zhì)量的反應(yīng)物裝入真空密閉的玻璃管內(nèi)加熱，以40～50℃/h的速率升溫至300-900℃，恒溫100-160小時(shí)，再以2～5℃/h的速率降溫至150℃，恒溫12小時(shí)，再以5～8℃/h的速率降溫到50℃，最后關(guān)掉電源。從爐中取出玻璃管，可得到柱狀微晶態(tài)的目標(biāo)化合物。
2.單晶生長(zhǎng)在坩堝下部放入晶種，將Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby五元化合物壓塊放置于坩堝中的晶種上，然后將其坩堝置于單晶爐中，熔化塊狀的Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby化合物和晶種，再將它們放置于單晶爐頂部，最后在700～850℃溫度下，控制坩堝下降速度為5～30mm/h，即可生長(zhǎng)出表面平整光滑的，無(wú)宏觀和顯微缺陷的Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby單晶體。
3.薄膜材料生長(zhǎng)新型Hg1-x-yCdxInyTe1-ySby(0＜x＜1，0＜y＜1)化合物的薄膜材料生長(zhǎng)是采用分子束外延方法完成的。
具體工藝過(guò)程為分子束外延方法在Riber32P系統(tǒng)中，將Hg、Te、CdTe和InSb四種原料通過(guò)束源爐加熱到180～240℃，恒定溫度，然后將原料蒸發(fā)成原子束或分子束后淀積在襯底材料上生長(zhǎng)薄膜材料，其組分可通過(guò)調(diào)整四種原料蒸發(fā)的相互比例而獲得，而薄膜厚度可根據(jù)要求調(diào)整反應(yīng)時(shí)間。
權(quán)利要求
1.碲化汞、碲化鎘和銻化銦共晶結(jié)構(gòu)化合物的合成方法，其特征在于以HgTe、CdTe和InSb為原料，采用真空中高溫固相合成法。
2.如權(quán)利要求1所述的合成方法，其特征在于所述的真空高溫固相合成法包括以40～50℃/h的速率升溫至300-900℃，恒溫100-160小時(shí)，再以2～5℃/h的速率降溫至150℃，恒溫12小時(shí)，再以5～8℃/h的速率降溫到50℃。
3.一種由權(quán)利要求1或2的合成方法制備的碲化汞、碲化鎘和銻化銦共晶結(jié)構(gòu)化合物，其晶體結(jié)構(gòu)為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。
4.一種權(quán)利要求3的化合物的單晶的生長(zhǎng)方法，其特征在于其生長(zhǎng)溫度為700～850℃，控制坩堝下降速度為5～30mm/h。
5.一種由權(quán)利要求4的生長(zhǎng)方法制備的碲化汞、碲化鎘和銻化銦共晶結(jié)構(gòu)化合物的單晶材料。
6.一種權(quán)利要求3的化合物的薄膜材料的制備方法，其特征在于采用分子束外延方法。
7.如權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述的分子束外延方法包括將Hg、Te、CdTe和InSb四種原料通過(guò)束源爐加熱到180～240℃，恒定溫度，然后將原料蒸發(fā)成原子束或分子束后淀積在襯底材料上生長(zhǎng)薄膜材料。
8.一種由權(quán)利要求6或7的制備方法制備的碲化汞、碲化鎘和銻化銦共晶結(jié)構(gòu)化合物的薄膜材料。
全文摘要
碲化汞、碲化鎘和銻化銦共晶結(jié)構(gòu)化合物及其單晶材料和薄膜材料，涉及一類(lèi)新型紅外材料。其化合物以HgTe、CdTe和InSb為原料，采用真空中高溫固相合成法。其單晶生長(zhǎng)溫度為700～850℃，控制坩堝下降速度為5～30mm/h。其薄膜材料采用分子束外延方法制備。本類(lèi)材料是一種帶隙在較寬范圍內(nèi)可調(diào)整，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，組分均勻，且制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，低汞含量而響應(yīng)波長(zhǎng)在中長(zhǎng)波段的且性能可與MCT紅外半導(dǎo)體材料相媲美的新型紅外材料。
文檔編號(hào)C30B29/10GK1857993SQ200510067200
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2005年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月1日
發(fā)明者鄒建平, 郭國(guó)聰, 陳文通, 蔡麗珍, 趙振乾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所