CN115911177A - 分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法及异质结结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法及异质结结构，包括：制备衬底；在所述衬底上生长p型掺杂层；采用如下方式制备所述p型掺杂层：将碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构，以获得所述p型掺杂层。本申请实施例通过将碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构形成p型掺杂层，由此不需要热处理或者只经过低温热处理即获得碲镉汞异质结材料。

Description

分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法及异质结结构

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法及异质结结构。

背景技术

随着红外焦平面技术的发展，目前第三代红外焦平面技术已经成为研究的重心，对HgCdTe红外焦平面技术也提出了更高的要求。组分异质结构的多层外延制备是研究难点之一。利用分子束外延原位掺杂技术可实现碲镉汞材料的n、p型掺杂。可以对碲镉汞材料进行多层结构设计，制备出多个pn结用于制备双色、多色碲镉汞红外探测器。

碲镉汞原位掺杂是指在MCT生长过程中引入杂质。n型掺杂较为容易，其中In为较佳选择元素之一，其具有扩散率低，较容易引进Hg位并可充分激活等优点。但p型掺杂较为困难，关于MBE原位p型掺杂技术，国内外研究人员做了大量的工作，通常采用常规的平面As掺杂的方法实现p型掺杂。但As的粘附系数较低，对衬底温度较为敏感，为了达到As掺杂目标浓度，就要在生长窗口中选择温度较低的生长温度。

此外，由于分子束外延生长碲镉汞是富碲生长，As在掺杂过程中会占据汞空位，需要进一步通过热处理实现碲镉汞薄膜p型激活。通常实现As激活需要两步退火，高温饱和汞蒸气压退火和低温汞空位消除退火。高温热处理需要约300℃～450℃的温度实现As受主激活。较高的温度对工艺环境有着较高的要求，同时较高的温度会对表层材料造成不利的影响，高温引起的组分互扩散对碲镉汞外延材料组分的影响也是不容忽视的。

发明内容

本申请实施例提供一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法及异质结结构，用以对碲镉汞材料进行结构设计，实现碲镉汞材料的n、p型掺杂，并且不需要热处理或者只经过低温热处理即获得碲镉汞异质结材料。

本申请实施例提供一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，包括：

制备衬底；

在所述衬底上生长p型掺杂层；

采用如下方式制备所述p型掺杂层：将碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构，以获得所述p型掺杂层。

可选的，所述p型掺杂层中每一层碲化镉、砷化镉、碲化汞的厚度为1nm～10nm，且同一周期各层的厚度可以不同。

可选的，制备所述p型掺杂层的方法还包括：

基于所形成的超晶格结构放置于汞饱和气氛下，在目标温度下加热指定时长。

可选的，还包括：

在所述衬底上生长n型掺杂层后，再生长所述p型掺杂层；或

在所述衬底上生长所述p型掺杂层后，再生长n型掺杂层。

可选的，所述n型掺杂层为In掺杂碲镉汞层，且In掺杂碲镉汞的组分为0.2～0.4，In掺杂浓度在1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，n型掺杂层厚度为3μm～20μm。

可选的，制备衬底包括在衬底材料表面顺序生长砷、碲化锌缓冲层、碲化镉缓冲层。

本申请实施例还提出一种分子束外延碲镉汞异质结结构，包括

衬底；

在所述衬底上生长有p型掺杂层；

所述p型掺杂层为以碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构。

本申请实施例还提出一种半导体器件，包括前述的分子束外延碲镉汞异质结结构。

本申请实施例通过将碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构形成p型掺杂层，由此不需要热处理或者只经过低温热处理即获得碲镉汞异质结材料。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请实施例的原位掺杂碲镉汞异质结材料的一种结构示例；

图2为本申请实施例的原位掺杂碲镉汞异质结材料热处理后的一种结构示例。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本申请实施例提供一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，包括：

制备衬底，本示例所述的衬底可以是一般衬底或者复合衬底。

在所述衬底上生长p型掺杂层；

采用如下方式制备所述p型掺杂层：将碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构，以获得所述p型掺杂层，具体循环的周期数可以根据实际需要设置，例如循环数百个周期从而形成超晶格结构。

在一些实施例中，还包括：在所述衬底上生长n型掺杂层后，再生长所述p型掺杂层；或，在所述衬底上生长所述p型掺杂层后，再生长n型掺杂层。

如图1所示，本示例中的p型掺杂层为多层结构，多层结构的薄膜可以再在任意n型掺杂层、p型掺杂层上方叠加n型掺杂层或p型掺杂层。

本申请实施例提出通过碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，特别的利用一个周期中的砷化镉，来循环多个周期制备出超晶格结构，从而由此不需要热处理或者只经过简单的热处理即获得碲镉汞异质结材料。

在一些实施例中，所述p型掺杂层中每一层碲化镉、砷化镉、碲化汞的厚度为1nm～10nm，且同一周期各层的厚度可以不同。例如碲化镉、砷化镉、碲化汞层的厚度可以分别设置为5nm、2nm、6nm。

在一些实施例中，制备所述p型掺杂层的方法还包括：

基于所形成的超晶格结构放置于汞饱和气氛下，在目标温度下加热指定时长。

具体的，原位掺杂碲镉材料可以经过低温的热处理即可形成碲镉汞pn结。低温热处理可以将原位掺杂碲镉材料放置在汞饱和气氛下加热10～72h，可选的加热温度为180℃～250℃之间。

在一些实施例中，所述n型掺杂层为In掺杂碲镉汞层，且In掺杂碲镉汞的组分为0.2～0.4，In掺杂浓度在1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，n型掺杂层厚度为3μm～20μm。

在一些实施例中，制备衬底包括在衬底材料表面顺序生长砷、碲化锌缓冲层、碲化镉缓冲层。在衬底为复合衬底的情况下，可以基于211晶向的碲锌镉、硅、砷化镓衬底材料来制备，可以在211晶向碲锌镉、硅、砷化镓衬底表面依次生长砷、碲化锌缓冲层、碲化镉缓冲层从而制备出复合衬底。一些示例中，复合衬底碲化锌缓冲层厚度范围为5-300nm，所述碲化镉缓冲层厚度范围为5um～10um。

本申请实施例还提出一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法的实施案例，包括如下步骤：

原位掺杂异质结碲镉汞材料为多层结构的薄膜，多层结构分为硅基复合衬底、n型掺杂层、p型掺杂层。

硅基复合衬底为211晶向的单晶硅，在硅表面生长砷、碲化锌缓冲层、碲化镉缓冲层。

具体地，砷为在单晶硅表面铺一层砷原子，碲化锌缓冲层厚度为100nm，碲化镉缓冲层为6um。

n型掺杂层位于硅基复合衬底上方n型掺杂层厚度为5um。

具体地，n型掺杂为In掺杂，碲镉汞的组分为0.3，所述In掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3。

p型掺杂层位于n型掺杂层上方，由碲化镉、砷化镉、碲化汞三层循环200周期的超晶格结构组成。碲化镉、砷化镉、碲化汞层的厚度分别为5nm、2nm、6nm。

将图1中的碲镉汞异质结材料在汞饱和气氛下250℃热处理72h，获得如图2所示原位掺杂碲镉汞异质结材料。

原位掺杂碲镉汞异质结材料称为退火后硅基复合衬底、退火后n型掺杂层、退火后p型掺杂层，其中退火后硅基复合衬底与热处理前并没有发生变化，退火后n型掺杂层在汞饱和的气氛下，会将碲镉汞材料中残余的汞空位消除。

如图2所示，退火后p型掺杂层由碲化镉、砷化镉、碲化汞三层循环200周期的超晶格结构变为体碲镉汞材料，砷化镉中的砷作为受主均匀分布在体碲镉汞中即退火后p型掺杂层。

本申请实施例的分子束外延原位掺杂碲镉汞异质结材料结构设计，可以对碲镉汞材料进行多层结构设计，制备出多个pn结结构，通过材料结构中p型掺杂生长周期和掺杂层生长厚度控制掺杂浓度以及碲镉汞材料的组分。本申请利用一步低温热处理就可实现p型碲镉汞掺杂元素的激活，更准确的表述为利用材料中元素的互扩散低温退火将p型掺杂层超晶格结构变为体碲镉汞材料，低温热处理能同时避免n型层中In向p型层的扩散。

本申请实施例还提出一种分子束外延碲镉汞异质结结构，包括

衬底；

在所述衬底上生长有p型掺杂层；

所述p型掺杂层为以碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构。

本申请实施例的异质结结构衬底或复合衬底位于最下方，n型掺杂层或p型掺杂层位于衬底或复合衬底上方，可进行叠加形成可调异质结结构。

本申请实施例的异质结结构p型掺杂层为碲化镉、砷化镉、碲化汞三层为一个周期，循环数百个周期组成超晶格结构。其中砷是作为受主直接提供空穴，不需要高温退火实现受主激活，经过一步低温热处理实现碲化镉、砷化镉、碲化汞超晶格结构互扩散形成As占Te位的碲镉汞材料。低温热处理温度较低不会造成n型层中In向p型层的扩散。

本申请实施例的异质结结构的p型掺杂层可调整生长周期和超晶格结构中每单层厚度可以控制掺杂浓度以及碲镉汞材料的组分。

本申请实施例还提出一种半导体器件，包括前述的分子束外延碲镉汞异质结结构。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。

Claims (8)

1.一种分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，其特征在于，包括：

制备衬底；

在所述衬底上生长p型掺杂层；

采用如下方式制备所述p型掺杂层：将碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构，以获得所述p型掺杂层。

2.如权利要求1所述的分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，其特征在于，所述p型掺杂层中每一层碲化镉、砷化镉、碲化汞的厚度为1nm～10nm，且同一周期各层的厚度可以不同。

3.如权利要求1所述的分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，其特征在于，制备所述p型掺杂层的方法还包括：

基于所形成的超晶格结构放置于汞饱和气氛下，在目标温度下加热指定时长。

4.如权利要求1所述的分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，其特征在于，还包括：

在所述衬底上生长n型掺杂层后，再生长所述p型掺杂层；或

在所述衬底上生长所述p型掺杂层后，再生长n型掺杂层。

5.如权利要求4所述的分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，其特征在于，所述n型掺杂层为In掺杂碲镉汞层，且In掺杂碲镉汞的组分为0.2～0.4，In掺杂浓度在1×10¹⁵cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，n型掺杂层厚度为3μm～20μm。

6.如权利要求1所述的分子束外延原位掺杂碲镉汞薄膜热处理方法，其特征在于，制备衬底包括在衬底材料表面顺序生长砷、碲化锌缓冲层、碲化镉缓冲层。

7.一种分子束外延碲镉汞异质结结构，其特征在于，包括

衬底；

在所述衬底上生长有p型掺杂层；

所述p型掺杂层为以碲化镉、砷化镉、碲化汞三层作为一个周期，循环多个周期形成超晶格结构。

8.一种半导体器件，其特征在于，包括如权利要求7所述的分子束外延碲镉汞异质结结构。

Images