CN1965111B - 碲化汞镉的制造 - Google Patents

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Abstract

公开了一种制造碲化汞镉(CMT)的方法，方法包括通过分子束外延(MBE)在衬底上生长一个或多个缓冲层。随后通过金属有机气相外延(MOVPE)生长至少一个碲化汞镉Hg1-xCdxTe层，其中x在(0)和(1)之间，并包括(0)和(1)。使用MBE生长缓冲层允许一系列的衬底用于CMT生长。MBE缓冲层为后来的CMT的MOVPE生长提供了正确的取向，还防止了MOVPE过程中CMT的化学污染和衬底的侵蚀。方法还允许利用晶体CMT层和/或钝化层的进一步MOVPE生长来进行CMT层的器件加工。本发明还涉及通过方法形成的新器件。

Description

碲化汞镉的制造
本发明涉及碲化汞镉的制造方法，尤其涉及形成可在红外器件中使用的碲化汞镉层的方法和这样生长的碲化汞镉结构。
碲化汞镉Hg1-xCdxTe被熟知作为用于红外器件如检测器、源、LED、负发光器件的材料。被称为CMT(或有时MCT)的碲化汞镉是一种半导体合金，其带隙可通过改变合金的组成即镉含量x来变化。带隙可被调整，从而CMT可用于一系列的红外器件，覆盖了短波(SW)、中波(MW)、长波(LW)和极长波(VLW)红外波长。CMT为许多红外焦面阵列应用的选择材料。低泄漏电流和高的载流子迁移率产生具有优异敏感性的检测器。CMT为覆盖宽波长范围的的单带和多带系统的最佳解决方案，因为能通过选择合适的组成来调整波长以及能设计和生长组成被调整时两个或多个波长在单一器件内工作的结构。
制造红外器件的基本原理是众所周知的。CMT被外延生长到晶体衬底上。然后通过台面蚀刻、离子注入或离子束蚀刻形成器件。然后形成金属触点，器件结合到硅读出电路上。注意CMT也可作为大晶体生长，通过离子注入或离子束蚀刻由其制造器件，但外延生长比大晶体生长有利。
已提出了制造CMT的各种外延生长方法1。金属-有机气相外延(MOVPE)已成功用作在大面积上可重现和均匀生长的技术。美国专利4650539描述了使用MOVPE制造CMT。美国专利4566918为这种技术的改进，其生长能互相扩散形成均匀CMT结构的CdTe和HgTe的薄层。美国专利4950621描述了用于CMT生长的MOVPE技术，其利用金属-有机化合物的光催化分解。
生长CMT的其它方法包括分子束外延(MBE)。已由通过MBE方法在碲化锌镉(Cd1-yZnyTe，也称为CZT)衬底上生长的CMT形成红外器件。参见例如：M Zandian，JD Garnett，RE Dewames，M Carmody，JG Pasko，M Farris，CA Cabelli，DE Cooper，G Hildebrandt，JChow，J M Arias，K Vural和DNB Hall，J.Electronic Materials32(7)(2003)“Mid-wavelength infrared p-on-n Hg1-xCdxTeheterostructure detectors：30-120 Kelvin state of the artperformance”，或JD Phillips，DD Edwall和a DL Lee J.ElectronicMaterials 31(7)664(2002)“Control of very long wavelengthinfrared HgCdTe detector cut-off wavelength”。
红外成象应用不断需要能用于远程检测和识别的大面积、两维检测器阵列。由于这些阵列的物理尺寸增加，因此传统衬底材料和CMT生长技术的限制变得明显。碲化锌镉已被广泛用作CMT生长的衬底，但只用于小尺寸，这限制了它制造大阵列的有效性。同样已被用作衬底的碲化镉也只用于小尺寸。此外，CdTe和CZT都极其易碎，晶体质量不是特别好。
砷化镓(GaAs)衬底可用于较大尺寸。但如上所述，器件通常被结合到硅读出电路上。操作时，检测器经常被冷却到低温下，例如80K左右(但不同的器件在不同的温度下工作良好)以减少热噪声。在检测器的工作温度下，硅读出电路和GaAs衬底之间的热不匹配会导致红外器件从电路中分离。通过使衬底变薄可减小这种影响，但变薄过程是复杂的，降低了产率并增加了生产成本。热不匹配问题也适用于碲化镉和CZT衬底。
如果使用硅作为衬底，则衬底将内在地与读出电路热匹配，但是，迄今为止，已证实在硅衬底上制造工作CMT器件的阵列极其困难。例如，已在硅衬底上制造了具有良好性能的单个工作LW检测器器件，但这种器件的阵列包含很少几个良好工作检测器，即阵列的可操作性非常差。
硅还有作为衬底的另一个优点，即它具有高的热导率。这导致能更快冷却到器件工作温度，这对检测器是尤其有用的。对于红外源的有效散热也是有益的。
已应用MBE技术在硅上生长CMT，在CMT生长前在硅上生长缓冲层，例如：-T.J.de Lyon，J.E.Jensen，M.D.Gorwitz，C.A.Cockrum，S.M.Johnson和G.M.Venzor，J.Electronic.Materials.28，705(1999)。硅上CMT的MBE生长已被证实为挑战性的任务。首先，对于任何衬底上CMT的MBE生长，必须精确地控制生长温度，要求可重复的晶片安装技术和细微的衬底温度控制。其次，已证实难以消除材料缺陷。这些缺陷并不总是对中波红外器件特性有严重影响(取决于器件)，但它们确实有害地影响长波器件。因此，利用MBE的硅上CMT的生长是一个困难的过程，并只制造出合格的中波长红外器件和阵列。
硅上CMT的MOVPE生长来制造工作器件也存在问题。参见JElectronic Materials 25(8)(1996)1347页K Shigenaka，KMatsushita，L Sugiura，F Nakata和K Hirahara，M Uchikoshi，MNagashima和H Wada“Orientation dependence of HgCdTe epitaxiallayers grown by MOCVD on silicon substrates”，1353页，K Maruyama，H Nishino，T Okamoto，S Murakami，T Saito，Y Nishijima，MUchikoshi，M Nagahima和H Wada“Growth of(111)HgCdTe on(100)Si by MOVPE using metal organic tellurium absorption andannealing”或1358页，H Ebe，T Okamoto，H Nishino，T Saito和Y Nishijima，M Uchikoshi，M Nagashima和H Wada“Direct growthof CdTe on(100)，(211)，and(111)Si by metal organic chemicalvapour deposition”。
因此需要在各种衬底尤其是硅上生长CMT的方法。还需要能实现可再现的大规模生长和能控制CMT的性能以得到波长比性能。显然还希望该方法为制造工作红外器件的可行工艺的一部分。
本发明的一个目的是提供能满足至少部分这些目标的制造CMT的方法。
因此，根据本发明，提供一种生长碲化汞镉Hg1-xCdxTe的方法，其中0≤x≤1，包括以下步骤：取一晶体衬底，通过分子束外延在所述衬底上生长至少一个缓冲层，随后通过金属-有机气相外延在所述至少一个缓冲层上生长至少一个碲化汞镉层。
本发明因此为MBE和MOVPE技术的结合。通过MBE在衬底材料上生长至少一个缓冲层，然后使用MOVPE技术在至少一个缓冲层的顶上生长CMT。缓冲层可防止CMT层被衬底层中的原子化学污染，例如如果衬底是砷化镓的话为镓原子，并可减轻CMT层中的晶格失配。MBE过程能生长足够厚的良好质量的缓冲层，其提供CMT生长的基础。然后可通过MOVPE以控制的可再现方式在缓冲层上生长CMT。另外所述至少一个缓冲层可在随后的MOVPE处理中保护衬底-一些衬底通常不适合于MOVPE处理，因为MOVPE过程中的化学侵蚀。
本发明因此结合MBE和MOVPE来制造可在宽的波长范围下在器件中使用的具有良好质量的CMT。这与设法使用全部MBE或全部MOVPE工艺的本领域常规思想相反。虽然本发明的方法确实需要两种不同的处理步骤，增加了方法的复杂性，但本发明人认识到，混合两种技术能提供产生优良器件的可靠和可控制工艺。
本说明书中使用的术语碲化汞镉是指组合物Hg1-xCdxTe，其中x被控制位于1和0之间，包括1和0。当x为1时，物质实际上为碲化镉，当x为0时，材料实际上为碲化汞，但对本说明书来说，两者应包括在术语碲化汞镉或CMT的范围内。
衬底可为任何合适的晶体材料。衬底可通常为物理坚硬的，对于大面积检测器，可大面积应用。在一些应用中，需要最终器件中的衬底对适宜波长的红外辐射透明，但这可通过使衬底变薄来实现。合适的衬底材料包括碲化镉、碲化锌、碲化锌镉、硒化锌镉和碲化硒化锌镉(但这些通常不能以大尺寸得到)、砷化镓、硅、锗、锑化铟、锑化铝铟、锑化镓铟、磷化铟、蓝宝石、氧化铝或尖晶石(MgAl2O4)。
在一些实施方案中，硅是优选的衬底，因为它内在地与读出电路热匹配。本发明的方法允许在硅上生长具有非常好的器件性能的器件结构，并且结构能被调整以在整个红外波长范围内的任意波长下工作。
衬底的取向在确保正确的材料生长中是重要的。取向应允许缓冲层通过MBE正确生长，并确保缓冲层具有对于CMT通过MOVPE生长而言的正确取向。因此优选排列衬底在<111>或<110>方向上与晶形{100}偏离。偏离度数在1°和10°之间。使衬底取向按这种方式偏离能防止MBE缓冲层中缺陷的堆积。当衬底为硅时，衬底取向优选为向着[111]方向偏离的(001)，偏离度数优选在1°-10°的范围内，并包括1°和10°。硅通常是上面较难以生长的衬底，正确取向是重要的。
缓冲层的选择可取决于所用的衬底。缓冲层设定了MOVPE生长的正确取向并防止了衬底中物质对CMT的化学污染。合适的缓冲层包括碲化镉和碲化锌。可为单一缓冲层，例如单层碲化锌，或层的组合，例如碲化锌层可生长在衬底上，上面生长碲化镉层。也可使用碲化锌镉作为缓冲层。
为了生长碲化锌，可使用碲化锌作为MBE源材料或可使用元素锌和碲，或元素和化合物材料的组合。类似地，可使用元素镉和碲或碲化镉或组合来生长碲化镉。使用技术人员已知的标准MBE生长工艺生长缓冲层。
在缓冲层的MBE生长后，可通过MOVPE在缓冲层上生长CMT。但是，可优选在MOVPE生长前清洁缓冲层的表面。根据所用的设备，可能需要将带缓冲层的衬底从MBE生长装置转移到MOVPE反应器和/或可在处理步骤之间存在延迟。如果带缓冲层的衬底不能保持在受控环境中，则可能存在在顶部缓冲层表面上堆积的杂质。清洁将除去至少部分这些杂质。可通过蚀刻带缓冲层的衬底进行清洁，这为MOVPE领域的技术人员所熟知，或通过任何合适的清洁工艺。如果组合的MBE/MOVPE系统连同两个零件之间的负荷锁在合适位置，则不需要清洁。
在生长至少一个CMT层前，方法还可包括通过MOVPE生长至少一个另一缓冲层的步骤。这种MOVPE缓冲层可与通过MBE生长的缓冲层材料相同或不同。如上所述，MBE提供了在硅上生长对于MOVPE生长具有正确取向的合适缓冲层的良好可控制方式。但是，为了进一步改善CMT的MOVPE生长条件，通过MOVPE敷设缓冲层将是有用的。例如，当MBE缓冲层包括在衬底上的碲化锌底层上生长的碲化镉顶层时，方法可包括在MBE CdTe层顶上通过MOVPE生长另一碲化镉层的步骤。
通过MOVPE生长另一缓冲层可增加缓冲层厚度，这在一些实施方案中是有益的，并且MOVPE是比MBE快的生长方法。MOVPE缓冲层可提高晶体质量。另一MOVPE缓冲层还用于隔离CMT与已暴露到大气的表面，即敷设MOVPE缓冲层可盖住任何由于MBE缓冲层氧化等产生的少量表面杂质和清洁过程的任何残留物，如果进行的话。
通过标准MOVPE技术生长CMT层，因而进入反应器的前体的浓度受它们的蒸气压和通过鼓泡器的气流(通常是氢)控制，鼓泡器包含可能用额外的清洁气(H2)流进一步稀释的前体。按照这种方式，可生长具有控制的x值的Hg1-xCdxTe，以便得到所需的器件特性。通常，MOVPE工艺使用CMT生长的相互扩散多层工艺，如US4566918中所述，即生长CMT的步骤包括依次生长在生长中会相互扩散的CdTe和HgTe薄层，得到CMT的单层，CdTe和HgTe层的相对厚度确定了镉含量x。
使用的有机金属前体为任何合适的挥发性碲和镉化合物，如镉和碲的烷基化物。在一种实施方案中，碲前体为二异丙基碲，镉前体为二甲基镉。
CMT层可掺杂有合适的掺杂剂，掺杂剂可为n-型或p-型。合适的掺杂剂包括碘、砷、铟和锑，但也可使用其它掺杂剂。合适的前体包括异丁基碘和三(二甲基氨基)砷。
通常，根据目的器件的要求，方法将包括生长一个以上的CMT层。不同的层可具有不同的厚度、组成(Hg1-xCdxTe中的x)和/或不同的掺杂剂和掺杂剂浓度。
如上所述，本发明因此提供生长控制的碲化汞镉层的可再现有效方法，这种控制的碲化汞镉层可用于一系列红外器件的生产。制造的层可被台面蚀刻、离子束蚀刻或离子注入以形成本领域中已知的器件。在器件形成前，方法可包括通过MOVPE生长一个或多个覆盖或接触层，这为本领域技术人员所知。如果这种技术用于离子蚀刻或离子注入的器件而没有台面成形，则需要覆盖层。
形成台面式晶体管器件时，优选器件涂有钝化层，这为本领域技术人员所知。台面式晶体管的侧壁优选涂有一个或多个钝化层以确保器件的电稳定性和防止材料中汞损失。因此，优选方法在器件加工后包括用至少一个钝化层涂敷器件的步骤。钝化层可通常为碲化镉层。通常，钝化层为通过MOVPE生长的外延层。
对于本说明书而言，术语器件加工可包括在初始CMT生长后施加到CMT材料的任何步骤，即对通过MOVPE生长CMT的步骤的任何中断，尤其是步骤如留下非平面CMT表面的蚀刻。
使用MOVPE生长钝化层是本发明的另一新颖方面。常规钝化层为例如通过MBE或更通常在蒸发器中施加的蒸发层。
MOVPE用于器件钝化在几个方面是有利的。首先，台面式晶体管器件的干法蚀刻会产生具有陡峭侧壁的器件，MBE技术会越来越多地不能覆盖侧壁，因为材料桁条平行于侧壁而不是垂直。基于能容易地渗透到台面式晶体管之间通道内的气体的MOVPE工艺在涂敷这种器件时好得多。
另外的钝化层如通过MOVPE生长的碲化镉外延有CMT层和晶体，而MBE和蒸发的CdTe为多晶。
实际上，在器件加工后生长另外外延层的能力是本发明的另一新颖方面。这允许器件加工后另外CMT层的生长。因此，方法可有利地在器件加工后包括通过MOVPE生长另外CMT外延层的步骤。本方法因此允许从MOVPE反应器中取出CMT样品，经过器件加工阶段，再放到MOVPE反应器内，和在其上生长另外的CMT层。取决于样品的加工和处理，可能在器件加工阶段后需要清洁。
然后为制造的器件提供触点并结合到读出电路上。使用硅作为衬底时，会产生具有热匹配和IR透明的衬底而不需要变薄过程的器件。此外，本发明提供用于在硅衬底上生产在长波(＞8μm)红外波长下工作的红外器件的装置。
本发明能实现的器件包括短波检测器和源、中波检测器和源、长波检测器和源、和超长波检测器和源。可使用通过本发明生长的CMT生产双频带、多频带、超频谱和雪崩器件。负发光器件可被制成封装LED和单光子源，并且器件可用于从焦面阵列红外检测器到气体传感器的一系列技术中。还可使用本发明的方法制造晶体管。
显然，本发明涉及两种不同工艺的使用，用于在衬底上产生缓冲层的MBE，和用于生长任何附加缓冲层、CMT层和钝化层的MOVPE。可在不同的时间在不同的装置中进行这两种工艺，但如上所述，MOVPE前未保持在受保护环境中的带缓冲层的衬底可能需要清洁。
因此，在本发明的第二个方面中，提供通过金属有机气相外延产生适合于至少一个碲化汞镉层生长的带缓冲层的衬底的方法，该方法包括步骤：取晶体衬底和通过分子束外延生长至少一个缓冲层。本发明的第二个方面因此提供可在通过MOVPE的CMT控制生长中使用的带合适缓冲层的衬底。本发明第一方面关于MBE缓冲层生长的全部实施方案都适用于本发明第二个方面。特别地，优选衬底从{100}晶形向着<111>或<110>被偏离。优选衬底为硅，取向优选为向着<111>偏离1°-10°的(001)。
优选在缓冲层生长前，方法包括清洁和/或处理/准备衬底的步骤。清洁衬底的方法可包括在砷熔剂中加热衬底的步骤。砷为优选的清洁熔剂材料，但可代替或附加地使用其它材料或它们的组合，如镉、锌、碲、碲化镉、碲化锌、锑或磷。
在本发明的第三个方面中，提供一种制造碲化汞镉的方法，包括步骤：取包括通过分子束外延在晶体衬底上生长的一个或多个缓冲层的带缓冲层的衬底，和通过金属有机气相外延生长至少一个碲化汞镉层。因此，本发明的第三方面采用带缓冲层的衬底，如可通过本发明的第一方面产生，并按照特定器件的需要生长至少一个CMT层。上述与本发明第一方面相关的涉及CMT层生长、带缓冲层的衬底的可能清洁和通过MOVPE的另外缓冲层的可能生长的所有实施方案都适用于本发明第三方面。
由于本发明能生产用于整个红外波长范围的红外器件如检测器或源的CMT，并还能使用以前难以使用的衬底材料，因此本发明能生产新型器件。
因此，在本发明的又一方面中，提供一种红外器件，包括衬底、在衬底上的至少一个缓冲层和在至少一个缓冲层上的至少一个碲化汞镉层，其中衬底取向为向着<110>或<111>偏离1°-10°的{100}，包括1°和10°。关于这一点，术语器件涉及当连接到合适电路时能用作红外器件的材料排列，例如焦面阵列中的检测器元件-即当形成有合适的触点等时用作检测器元件。本发明的新颖器件优选通过本发明的方法生产，因而上述方法的全部优点和实施方案都是适用的。尤其是衬底可为硅，并具有向着[111]偏离1°-10°包括1°和10°的取向(001)，至少一个缓冲层可包括选自碲化锌、碲化镉和碲化锌镉的一个或多个层。
在本发明的另一个方面中，提供一种红外器件，包括衬底、形成在衬底上的至少一个缓冲层和形成在至少一个缓冲层上的至少一个碲化汞镉层，其中至少一个碲化汞镉层被调整为在长波红外波长辐射下有效，并且其中衬底为硅。上面使用的术语有效应被理解为CMT被调整至检测或发射长波长红外辐射。如上所述，硅上工作长波长红外CMT检测器阵列的制造在以前是不可能的。在本说明书的范围内，长波红外线应被理解为大于8μm的截止波长。本发明还能在硅上制造具有优异性能的长波长红外发光源。
如上所述，器件加工后CMT上另外CMT层的外延生长是本发明的另一新颖方面。因此，在本发明的另一方面中，提供一种生长至少一个Hg1-xCdxTe晶体层的方法，其中0≤x≤1，包括步骤：取具有至少一个形成在至少一个碲化汞镉层中的台面式晶体管器件的衬底，和通过MOVPE生长所述至少一个Hg1-xCdxTe层。
现在将结合下面的图仅仅示例性地描述本发明，其中：
图1显示了根据本发明的典型红外检测器排列，
图2显示了图示MBE原理的通用MBE装置，
图3显示了图示MOVPE原理的通用MOVPE装置，
图4显示了使用本发明的方法制造的图1所示器件在80K下的电阻-面积和电流-电压曲线，
图5显示了在使用本发明方法制造的128×128阵列的相对侧处两个二极管的R0A作为温度函数的曲线，和
图6显示了硅上128×128长波CMT阵列的红外图象。
参考图1，显示了根据本发明的方法制造的典型红外二极管。器件包括具有两个缓冲层104、106的硅衬底102。缓冲层104为薄的碲化锌层，缓冲层106为较厚的碲化镉层，但也可使用将要描述的其它缓冲层。
器件于是具有三个不同的CMT层108、110、112。CMT层108为p+掺杂的接触层。层110为n-掺杂的吸收层和最上面的CMT层112为n+接触层。形成在最上面CMT层112上的是金属触点114和用于突出结合到一些读出电路的铟突出116。在未被金属触点114覆盖的顶部CMT层112的区域上提供碲化镉钝化层118。器件因此表现出为本领域技术人员所了解的n在p上二极管结构。或者，通过简单地颠倒层108、110和112的顺序，可产生p在n上的结构。
可使用将要描述的本发明的新颖方法制造图1所示的器件。首先，取和准备具有所需尺寸的硅片。硅为优选的衬底材料，因为它对红外辐射透明，可得到大晶片，具有高热导率，坚硬，且硅与读出电路热匹配。因此，当器件被冷却到工作温度(例如80K左右)时，硅衬底的使用能消除由于热不匹配引起的应力。但是，可使用其它衬底材料，如碲化镉、碲化锌、碲化锌镉、硒化锌镉、CdSeTe、CdZnSeTe和类似物、砷化镓、锗、锑化铟、锑化铝铟、锑化镓铟、磷化铟、蓝宝石、氧化铝或尖晶石。
切割硅片，使得取向为向着[111]偏离1°-10°的(001)。在{100}取向处，在硅上缓冲层上生长的CMT具有形成畴和丘缺陷的趋势。但是，本发明人发现，(001)向着[111]错向几度能消除畴并因此减少缺陷。
然后在氢氟酸/乙醇中蚀刻硅衬底以留下氢封端的表面并用惰性气体吹干。还可使用REOX工艺进行蚀刻。然后衬底随时准备装到MBE室内。
MBE为在超高真空中发生的过程。参考图2，液氮202套帮助保持真空。源材料盛放在机器内泄流池(204)内部的坩埚中。定位泄流池(204)使得坩埚的开端指向加热的衬底(206)。当移去坩埚端上的遮板(208)时，材料被从坩埚转移到加热的衬底上。转移到衬底上的材料数量取决于坩埚温度，温度越高，材料的蒸汽压越高，因此就转移越多的材料。加热线圈210控制坩埚的加热。由于系统处于真空下，因此如果加热充分，甚至低蒸汽压材料也能蒸发并被转移到衬底上。还是由于系统处于真空下，材料束被从泄流池转移到样品上，没有周围气体的影响。泄流池通常保持在使它们保持温热但不会热到足够蒸发材料的无功温度下。在开始生长前，使室升温到它们的生长温度，从而足够的材料可从坩埚中蒸发，生长所需的层。
通过装载锁将蚀刻的硅衬底206装载到MBE套件内。将衬底夹持到被加热并还能旋转的夹具212上。旋转帮助生长层的均匀性。生长过程中衬底的温度低于沉积材料再次蒸发的温度，但足够热至允许原子在表面到处移动并形成晶体材料。
已经发现，使用先前已用于生长所需缓冲层的MBE套件是有益的。先前生长操作的作用可为使MBE套件处于良好状态以允许随后高质量晶体生长。对于“清洁的”MBE，因此首先进行几次调节生长操作是有益的。
一旦被装载在室中，就在砷熔剂中在一定温度下处理蚀刻的衬底。衬底在砷熔剂中被加热至比生长温度高的温度。砷熔剂通过从砷池的正面移去遮板来起动，通过将遮板放回原处并从室中除去任何过量的砷压力来终止。降低温度到生长温度，并按照需要通过移去碲化锌、锌和碲池前面的遮板来起动碲化锌生长，取决于用于生长的源。一旦生长了所需的碲化锌厚度，就将遮板放回原处。同样，按照需要通过移去碲化镉、镉和碲池前面的遮板生长碲化镉。同样在CdTe生长结束时，将遮板放回原处。一旦生长完成，就将池冷却到无功温度，并冷却衬底和从机器中卸载。
通过MBE在硅衬底上生长薄的ZnTe缓冲层，设定衬底取向至(001)并提高随后生长的CdTe缓冲层的粘合性。通过MBE直接在硅上生长的CdTe更易于从衬底剥落。但是，对于一些衬底，粘合不是问题，可使用CdTe单层或底层(例如在GaAs衬底上)。对于一些器件也是如此，ZnTe单层就足够，不用附加的CdTe层。缓冲层优选具有约8μm的总厚度，因为晶体质量可随厚度到约8μm而增加。但是，MBE是较慢的过程，因而小于8μm的厚度是可接受的。
可使用迁移增强的外延(MEE)进行生长过程的一部分，并且对于本说明书来说，对MBE的提及包括对MEE的提及。
然后将CdTe/ZnTe/Si转移到MOVPE反应器中，并进行任何所需的蚀刻/清洁步骤。为了制造图1所示的器件，生长三个CMT层，每个层都通过美国专利4566918中描述的相互扩散多层工艺来生长。尽管MBE装置和MOVPE装置经常是独立的设备，但没有不能在两者间用装载锁或转移机构结合在单个单元中的理由。特殊的套件不能布置有MBE和MOVPE室以及两者之间的装载锁或转移机构。
图3图示了MOVPE生长的原理，并显示了适合于MOVPE生长的装置，但所用的实际装置可变化。如US4566918中更详细地描述，经由质量流量控制器3、4和23将氢源从总管1供应到鼓泡器6、7和25。关闭阀8并打开阀10和11，气体流过鼓泡器6，关闭阀10和11并打开阀8，来自质量流量控制器2的氢流经由旁路管线14被送往洗涤器或过滤器31。类似地，用阀9、12和13控制鼓泡器7，用阀26、27和28控制鼓泡器25。为了简明，图3中只示出了三个鼓泡器，但在实际中可需要更多的鼓泡器。因此可控制通过每个鼓泡器的流量。来自鼓泡器6、7和25的气流可在混合器15中混合，进入反应器16前，在混合器15中可用来自控制器5(用阀32、33控制)的气流稀释，但在其它布置中，可优选分开供应前体到反应器内并在反应器中混合它们。
在反应器16中将带缓冲层的衬底20定位到基座21上。用加热元件17经由反应器壁24或任何合适的加热方式如位于汞浴下的内筒加热器来加热元素汞浴19，并保持汞蒸气的分压。用感应加热器18加热或通过任何其它合适的方式加热带缓冲层的衬底，从而来自鼓泡器6、7和25的气流中的金属-有机前体在衬底附近分解。
鼓泡器6包含镉的前体如二甲基镉，鼓泡器7包含碲的前体如二异丙基碲。通过阀的适当控制依次控制从鼓泡器6和7到反应器室的气流，生长薄的碲化汞层和碲化镉层，受控制的层厚度控制最终CMT层的总镉含量，CMT层通过生长过程中层的相互扩散形成。
为了产生第一个p+CMT层，应引入p-型掺杂剂。合适的p-型掺杂剂为砷，但可考虑其它掺杂剂如磷和锑。因此，掺杂剂鼓泡器25包含合适的前体如三(二甲基)氨基砷(也可使用其它挥发性砷化合物)，并控制鼓泡器温度和通过鼓泡器的气流得到适宜的掺杂。在生长第一个CMT层后，可依次生长其它CMT层。n-型层的合适n-型掺杂剂为碘，如异丁基碘作为前体，但可使用其它前体，并实际上可使用其它掺杂剂如铟。如所述，在使用不同的掺杂剂时，MOVPE装置可具有被分开控制的多个掺杂剂鼓泡器，而不是图3中所示的单个掺杂剂鼓泡器。类似地，如果打算生长任何MOVPE缓冲层，则装置可包含盛放有缓冲层成分的前体的鼓泡器。
在通过MOVPE生长CMT层后，优选在富汞的环境中对材料进行退火-这填充了汞空位并确保了所需的电性能。退火可在MOVPE反应器中进行，并可直接在CMT层生长后进行，或可使用任何合适的装置在稍后进行。
由按如上所述生长的CMT材料制造在55μm节距上的128×128检测器的一些二维阵列，并调整至长波红外波长操作。通过使用氢溴酸蚀刻台面式晶体管形成独立的二极管。通过MOVPE沉积薄的晶体CdTe钝化层。
还可利用干法蚀刻；干法蚀刻的台面式晶体管在台面之间具有深得多和窄得多的槽，气相MOVPE工艺的使用在钝化方面具有相当大的优势，因为气体可更容易地透过狭窄的槽。使用MOVPE生长钝化层还产生与使用常规MBE钝化层形成的多晶层不同的更坚硬的晶体CdTe层。在金属触点和铟突起沉积前，在钝化层中蚀刻窗口-图1提到。一个阵列被倒装结合到硅引出芯片上以测量器件特性，另一个被倒装结合到读出芯片上以实现检测器的成象陈列。
设定吸收层的镉组成(Hg1-xCdxTe中的x)对应于10.2μm截止波长，其中截止被定义为最大响应的50％。利用有效零视场(FOV)测量作为低温恒温器中温度的函数的二极管特性。阵列中一个二极管的80K电流-电压(I-V)和电阻-面积乘积(R.A)显示在图3中。对于具有这种截止波长的器件，零电压下+R.A即R0A和RmaxA是高的(分别为~103Ohm-cm2和~104Ohm-cm2)。击穿特性也是优异的，在1V反偏压下，R.A值超过102Ohm-cm2。
位于阵列相对端的两个二极管的R0A作为温度函数的曲线显示在图4中。还显示了这些器件的预期扩散和产生复合(G-R)限制的R0A曲线。对于直到60K的温度，两个二极管的R0A值是类似的，这表明CMT组成、掺杂分布、钝化和制造在整个阵列上都是均匀的。
结合到读出电路上的阵列的图象(图6)由99.7％的工作检测器组成。这是在硅衬底上生长的长波CMT阵列最高的报告操作性。
尽管在上面给出的实施例中，只有通过MOVPE的一个CMT生长步骤，然后是器件加工，然后是钝化层的MOVPE生长，但这种稍后的生长步骤可包括其它外延、晶体CMT层的生长。这允许形成以前不能获得的复杂器件和结构。然后可按照需要对另外的CMT层进行器件加工步骤，并进一步再生长CMT或钝化层。

Claims (22)

1.一种生长碲化汞镉Hg1-xCdxTe的方法，其中0≤x≤1，包括以下步骤：
a)取一晶体衬底，
b)通过分子束外延在所述衬底上生长至少一个缓冲层，和
c)通过金属-有机气相外延在所述至少一个缓冲层上生长至少一个碲化汞镉层，
其中所述通过分子束外延生长至少一个缓冲层的步骤包括生长选自碲化锌、碲化镉和碲化锌镉的一个或多个层的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其中衬底为硅，并且其中所述硅衬底取向为向着[111]方向偏离1°和10°之间的(001)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中通过分子束外延生长至少一个缓冲层的步骤包括在衬底上生长碲化锌层和在所述碲化锌层上生长碲化镉层的步骤。
4.如权利要求1所述的方法，在生长至少一个碲化汞镉层的步骤之前还包括清洁通过分子束外延生长的最上面缓冲层表面的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其中在通过分子束外延生长至少一个缓冲层后还包括通过金属有机气相外延生长至少一个缓冲层的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，其中通过金属有机气相外延步骤生长的至少一个缓冲层与通过分子束外延生长的缓冲层相同。
7.如权利要求6所述的方法，其中通过分子束外延生长至少一个缓冲层的步骤包括在衬底上的碲化锌底层上生长碲化镉顶层，生长至少一个另外缓冲层的步骤包括通过金属有机气相外延生长另外的碲化镉层。
8.如权利要求1所述的方法，其中生长至少一个碲化汞镉层的步骤包括依次生长能在生长中相互扩散的CdTe和HgTe薄层，得到CMT单层，CdTe和HgTe层的相对厚度确定镉含量x。
9.如权利要求1所述的方法，其中在通过MOVPE生长至少一个碲化汞镉层的步骤中，二异丙基碲为碲前体，二甲基镉为镉前体。
10.如权利要求1所述的方法，其中生长至少一个碲化汞镉层的步骤包括用掺杂剂掺杂至少一个碲化汞镉层。
11.根据权利要求10的方法，其中掺杂剂选自碘、砷、铟、磷和锑。
12.根据权利要求1的方法，其中生长至少一个碲化汞镉层的步骤包括生长多个碲化汞镉层的步骤，至少部分层具有不同的厚度、组成、掺杂剂和/或掺杂剂浓度。
13.根据权利要求1的方法，其中方法还包括器件加工的步骤。
14.根据权利要求13的方法，其中方法在器件加工步骤后包括用至少一个钝化层涂敷器件的步骤。
15.根据权利要求14的方法，其中至少一个钝化层包括碲化镉。
16.根据权利要求14或权利要求15的方法，其中用钝化层涂敷器件的步骤包括生长至少一个通过金属有机气相外延生长的外延层。
17.根据权利要求13的方法，其中方法在器件加工步骤后包括通过金属有机气相外延生长另外的碲化汞镉外延层的步骤。
18.一种通过金属有机气相外延产生适合至少一个碲化汞镉层生长的带缓冲层的硅衬底的方法，该方法包括取一晶体硅衬底和通过分子束外延生长至少一个缓冲层的步骤，其中所述通过分子束外延生长至少一个缓冲层的步骤包括生长选自碲化锌、碲化镉和碲化锌镉的一个或多个层的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中硅衬底的取向为向着[111]偏离1°-10°的(001)。
20.如权利要求1或18所述的方法，在通过分子束外延生长至少一个缓冲层前还包括清洁/处理衬底的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其中清洁/处理衬底的步骤包括在砷熔剂下加热衬底的步骤。
22.一种制造碲化汞镉的方法，包括以下步骤：取一包括通过分子束外延在晶体硅衬底上生长的一个或多个缓冲层的带缓冲层的衬底，和通过金属有机气相外延生长至少一个碲化汞镉层，其中所述至少一个缓冲层包括选自碲化锌、碲化镉和碲化锌镉的一个或多个层。
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