KR20070011449A - 카드뮴 수은 텔루라이드의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카드뮴 수은 텔루라이드(CMT)의 제조방법에 관한 것이다. 당해 방법은 기판 위에 수은 빔 에피택시(MBE)에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시킴을 포함한다. 후속적으로, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드인, Hg1 - xCdxTe 층(여기서, x는 0 내지 1이다)을 금속 유기 증기 상 에피택시(MOVPE)에 의해 성장시킨다. MBE를 완충 층을 성장시키는 데 사용하면 기판의 범위를 CMT 성장에 사용되도록 할 수 있다. MBE 완충 층은 CMT의 이후의 MOVPE 성장에 대한 정확한 배향을 제공하고, 또한 CMT의 화학적 오염 및 MOVPE 동안의 기판의 공격을 방지한다. 당해 방법은 또한 결정성 CMT 층 및/또는 패시베이션 층의 추가의 MOVPE 성장으로 수행되는 CMT 층들의 장치 가공을 가능하게 한다. 또한, 본 발명은 당해 방법에 의해 형성된 신규한 장치에 관한 것이다.
카드뮴 수은 텔루라이드, 수은 빔 에피택시, 금속 유기 증기 상 에피택시, 완충 층, 결정성 기판, 적외선 장치.

Description

카드뮴 수은 텔루라이드의 제조방법{Manufacture of cadmium mercury telluride}
본 발명은 카드뮴 수은 텔루라이드의 제조방법, 특히 적외선 장치에서 사용될 수 있는 카드뮴 수은 텔루라이드의 형성방법 및 이렇게 성장시킨 카드뮴 수은 텔루라이드 구조물에 관한 것이다.
카드뮴 수은 텔루라이드, Hg1 - xCdxTe는 적외선 장치, 예를 들면, 검출기, 광원, LED, 음성 발광(negative luminescence) 장치 등에 사용하기 위한 재료로서 익히 공지되어 있다. CMT(또는 때때로 MCT)로 지칭되는 카드뮴 수은 텔루라이드는 반도체 합금으로서, 이의 밴드갭은 합금의 조성, 즉 카드뮴 함량 x를 변경시켜 변화시킬 수 있다. 밴드 갭은 CMT가 단파(SW), 중파(MW), 장파(LW) 및 극장파(VLW) 적외선 파장을 포함하는 적외선 장치의 범위에 사용될 수 있다. CMT는 다수의 적외선 초점 평면 어레이(infrared focal plane array) 적용에 대한 선택 물질이다. 낮은 누출 전류 및 높은 캐리어 이동성으로 탁월한 감도를 갖는 검출기가 수득된다. CMT는, 적합한 조성을 선택하여 파장을 조정할 수 있고 2 이상의 파장이 단일 장치 내에서 작동할 수 있도록 조성을 조정한 구조물을 설계하고 선장시킬 수 있기 때문에, 파장의 넓은 범위를 포함하는 단일 및 다중 밴드 시스템에 대한 최상의 해결책이다.
적외선 장치를 제작하기 위한 일반적인 원리는 익히 확립되어 있다. CMT를 결정성 기판 위로 에피택시얼(epitaxtial) 성장시킨다. 이어서, 장치를 메사 에칭(Mesa etching), 이온 주입 또는 이온 빔 밀링으로 형성한다. 이어서, 금속 접촉을 형성하고, 장치를 규소 판독 회로에 접착시킨다. CMT는 또한 이온 주입 또는 이온 빔 밀링에 의해 장치를 제조하는 데 사용되는 벌크 결정으로서 성장되지만, 에피택시얼 성장은 벌크 결정 성장보다 유리할 수 있음을 주목한다.
다양한 에피택시얼 성장방법이 CMT를 제작하기 위하여 제안되었다. 금속 유기 증기상 에피택시(MOPVPE)가 넓은 영역에 걸친 재생 가능하고 균일한 성장에 대한 기술로서 성공적으로 사용되어 왔다. 미국 특허공보 제4,650,539호에는 MOVPE를 사용하는 CMT의 제조방법이 기재되어 있다. 미국 특허공보 제4,566,918호에는 내부 확산되어 균일한 CMT 구조를 형성하는 CdTe 및 HgTe의 박층을 성장시키는 이러한 기술의 개질방법이 기재되어 있다. 미국 특허공보 제4,950,621호에는 금속-유기 화합물의 광촉매적 분해를 사용하는 CMT 성장에 대한 MOVPE 기술이 기재되어 있다.
CMT를 성장시키기 위한 기타 방법은 분자 빔 에피택시(MBE)를 포함한다. 적외선 장치는 MBE 공정에 의해 카드뮴 아연 텔루라이드(CZT로도 공지되어 있는 Cd1 -yZnyTe) 기판 위에서 성장시킨 CMT로부터 형성되었다. 예를 들면, 문헌[참조: M Zandian, JD Garnett, RE Dewames, M Carmody, JG Pasko, M Farris, CA Cabelli, DE Cooper, G Hildebrandt, J Chow, J M Arias, K Vural and DNB Hall, J. Electronic Materials 32(7) 803 (2003) "Mid-wavelength infrared p-on-n Hg1 -xCdxTe heterostructure detectors: 30-120 Kelvin state of the art performance", or JD Phillips, DD Edwall and a DL Lee J. Electronic Mateirals 31(7) 664 (2002) "Control of very long wavelength infrared HgCdTe detector cut-off wavelength"]을 참조한다.
적외선 이미징 적용에서는 긴 범위의 검출 및 식별을 위한 넓은 영역의, 2차원 검출기 어레이가 점점더 요구되고 있다. 이러한 어레이의 물리적 크기가 증가함에 따라 전통적인 기판 재료의 한계 및 CMT에 대한 성장 기술이 명백해졌다. 카드뮴 아연 텔루라이드는 CMT 성장용 기판으로서 폭넓게 사용되어 왔지만 적은 크기로만 사용 가능하다는 점으로 인하여 넓은 어레이 제조용으로의 유용성이 제한되었다. 카드뮴 텔루라이드는 기판으로서도 사용되어 왔는데, 이 또한 작은 크기로만 사용 가능할 뿐이다. 추가로, CdTe 및 CZT 둘 다 매우 취성이고 결정 품질이 그리 우수하지 않다.
비화갈륨(GaAs) 기판은 비교적 큰 크기로 사용 가능하다. 그러나, 언급한 바와 같이, 기판은 통상적으로 규소 판독 회로에 접착된다. 작동시 검출기는 종종 저온, 예를 들면, 약 80K(상이한 장치는 상이한 온도에서 최상으로 작동되기는 하지만)로 냉각시켜 열적 노이즈를 감소시킨다. 검출기의 작동 온도에서 규소 판독 회로와 GaAs 기판 사이의 열적 미스매치(mismatch)는 회로로부터 적외선 장치가 분리되도록 할 수 있다. 이러한 결과는 기판을 보다 얇게 하여 감소시킬 수 있지만, 박막화 공정은 복잡하여 수율을 감소시키고 제조 비용을 증가시킬 수 있다. 이러한 열 미스매치 문제는 또한 카드뮴 텔루라이드 및 CZT 기판에도 적용된다.
규소가 기판으로서 사용되어야 하는 경우, 기판은 판독 회로에 열적으로 고유하게 매칭되지만, 이제까지 규소 기판 위의 작동 CMT 장치의 어레이를 제조하기가 매우 곤란한 것으로 나타난 바 있다. 예를 들면, 개별적인 작동 LW 검출 장치는 우수한 성능으로 규소 기판 위에서 제조되었지만, 이러한 장치의 어레이는 우수한 작동 검출기를 거의 포함하지 않으며, 즉 어레이의 작동성은 매우 불량하다.
규소는 열 전도율이 높다는 점에서 기판으로서의 추가의 이점을 갖는다. 이로 인해 장치 작동 온도로 보다 신속하게 냉각되는데, 이는 검출기에 있어서 매우 유용하다. 또한, 적외선 광원으로부터 열을 유효하게 제거하는 데 유리하다.
MBE 기술은 규소 위의 성장 CMT, CMT 성장 전의 규소 위의 성장 완충 층에 적용되어 왔다[예를 들면, 다음 참조: -T.J. de Lyon, J.E. Jensen, M.D. Gorwitz. C.A. Cockrum, S.M. Johnson and G.M. Venzor, J. Electronic. Mateirals. 28, 705 (1999)]. 규소 위의 CMT의 MBE 성장은 도전적인 과제임이 밝혀졌다. 우선, 임의 기판 위의 CMT의 MBE 성장에 대하여 성장 온도는 재생성 웨이퍼 설치 기술 및 미세한 기판 온도 조절을 요하여, 정확하게 조절되어야 한다. 두 번째로, 재료 결함은 제거하기 곤란한 것으로 밝혀졌다. 이러한 결함은 중파장 적외선 장치 특성에 언제나 심각한 영향을 미치는 것은 아니지만(장치에 따라), 장파장 장치에는 유해한 영향을 미친다. 결과적으로 MBE에 의한 규소 위의 CMT의 성장은 어려운 공정이고 허용되는 중파장 적외선 장치 및 어레이만을 생산하였다.
작업 장치를 제조하는 규소 위의 CMT의 MOVPE 성장 또한 문제가 발생하여 왔다. 문헌[참조: J Electronic Materials 25(8) (1996) page 1347 K Shigenaka, K Matsushita, L Sugiura, F Nakata and K Hirahara, M Uchikoshi, M Nagashima and H Wada "Orientation dependence of HgCdTe epitaxial layers grown by MOCVD on silicon substrates", page 1353 K Maruyama, H Nishino, T Okamoto, S Murakami, T Saito, Y Nishijima, M Uchikoshi, M Nagahima and H Wada "Growth of (111) HgCdTe on (100) Si by MOVPE using metal organic tellurium absorption and annealing", or Page 1358 H Ebe, T Okamoto, H Nishino, T Saito and Y Nishijima, M Uchikoshi, M Nagashima and H Wada "Direct growth of CdTe on (100), (211), and (111) Si by metal organic chemical vapour deposition".]을 참조한다.
따라서, 다양한 기판, 특히 규소 위에서 CMT를 성장시키는 방법이 요구된다. 추가로, 재생 가능한 대규모의 성장이 달성될 수 있고 CMT의 특성이 파장 특이 성능을 제공하도록 조절될 수 있는 것이 요구된다. 또한, 당해 방법이 작업 적외선 장치를 제작하는 실행 가능한 방법의 일부인 것이 명백히 요구된다.
본 발명의 목적은 이들 목표중의 적어도 일부를 충족시키는 CMT의 제조방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따라, 결정성 기판을 준비하는 단계, 당해 기판 위에서 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계 및 후속적으로 하나 이상의 완충 층 위에서 금속-유기 증기상 에피택시에 의해 하나 이상의 카드 뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계를 포함하여, 카드뮴 수은 텔루라이드, Hg1 - xCdxTe(여기서, 0≤x≤이다)를 성장시키는 방법이 제공된다.
따라서, 본 발명은 MBE와 MOVPE 기술의 조합이다. 하나 이상의 완충 층을 MBE에 의해 기판 재료 위에서 성장시킨다. 이어서, CMT를 MOVPE 기술을 사용하여 하나 이상의 완충 층의 상부에서 성장시킨다. 완충 층들은 기판 층 속의 원자, 예를 들면, 기판이 비화갈륨인 경우, 갈륨 원자에 의한 CMT 층의 화학적 오염을 방지할 수 있고, CMT 층들에서 격자 미스매치를 완화시킬 수 있다. MBE 공정은 CMT 성장의 기본을 제공하는 충분히 두껍고 우수한 품질의 완충 층이 성장되도록 할 수 있다. 이어서, CMT를 MOVPE에 의해 조절되고 재생 가능한 양식으로 완충 층 위에서 성장시킬 수 있다. 추가로, 하나 이상의 완충 층은 MOVPE 가공 동안 기판을 보호할 수 있다 - 일부 기판은 MOVPE 동안의 화학적 공격 때문에 MOVPE 가공에 일반적으로 적합하지 않다.
따라서, 본 발명은 MBE와 MOVPE를 둘 다 조합하여 우수한 품질로 넓은 파장 범위에서 장치에 사용될 수 있는 CMT를 제조하는 것이다. 이는 전체 MBE 또는 전체 MOVPE 공정을 사용하려는 당해 분야에서의 통상적인 사고에 역행하는 것이다. 본 발명의 방법은 방법의 복잡성 외에, 2개의 개별적인 공정 단계를 필요로 하지만, 본 발명자들은 2가지 기술을 혼합하여 탁월한 장치를 제조하는 신뢰성 있고 조절 가능한 공정을 제공할 수 있도록 실현하였다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "카드뮴 수은 텔루라이드"는 Hg1 - xCdxTe의 조성(여기서, x는 0 내지 1로 조절된다)을 의미한다. x가 1인 경우, 기판은 사실상 카드뮴 텔루라이드이고, x가 0인 경우, 재료는 사실상 수은 텔루라이드이지만, 본 명세서에 대하여 둘 다 용어 "카드뮴 수은 텔루라이드" 또는 CMT에 포함된다.
기판은 어떠한 적합한 결정성 재료라도 될 수 있다. 기판은 편의상 물리적으로 로버스트(robust)일 수 있으며, 넓은 영역의 검출기의 경우, 넓은 영역에서 사용 가능하다. 일부 적용에서는, 최종 장치의 기판이 적합한 파장의 적외선에 투과성일 필요가 있지만, 이는 기판을 박막화하여 달성될 수 있다. 적합한 기판 재료는 카드뮴 텔루라이드, 아연 텔루라이드, 카드뮴 아연 텔루라이드, 카드뮴 아연 셀레나이드 및 카드뮴 아연 셀레나이드 텔루라이드(그러나 이들은 일반적으로 큰 크기로는 사용 가능하지 않음), 비화갈륨, 규소, 게르마늄, 인듐 안티모나이드, 인듐 알루미늄 안티모나이드, 인듐 갈륨 안티모나이드, 인화인듐, 사파이어, 알루미나 또는 첨정석(MgAl2O4)을 포함한다.
규소는 판독 회로와 고유하게 열 매칭되므로 일부 양태에서는 바람직한 기판이다. 본 발명의 방법은 장치 구조물이 규소 위에서 성장되고 매우 우수한 장치 성능으로 적외선 파장 전체 범위에 걸쳐 어떠한 파장에서라도 작동되도록 조정되도록 한다.
기판의 배향은 정확한 재료 성장을 보장하는 데 있어서 중요하다. 배향은 MBE에 의해 완충 층의 정확한 성장을 가능하게 하고 완충 층이 MOVPE에 의해 CMT의 성장에 대한 정확한 배향을 갖도록 보장하여야 한다. 따라서, 기판은 바람직하게는 <111> 또는 <110> 방향으로 형태{100}으로부터 미스얼라이닝(misaligning)되도록 배열된다. 바람직하게는, 미스얼라인 정도는 1 내지 10°이다. 기판 배향을 이러한 방식으로 미스얼라이닝하면 MBE 완충 층의 결함 축적을 방지할 수 있다. 기판이 규소인 경우, 기판 배향은 바람직하게는 [111] 방향을 향하여 (001) 미스얼라이닝되고 미스얼라이닝 정도는 바람직하게는 1 내지 10°의 범위이다. 규소는 일반적으로 성장시키기에 보다 어려운 기판이고 정확한 배향이 중요할 수 있다.
완충 층 또는 층들의 선택은 사용되는 시판에 좌우될 수 있다. 완충 층은 MOVPE 성장에 대한 정확한 배향을 설정하고 기판의 종에 의해 CMT의 화학적 오염을 방지한다. 적합한 완충 층은 카드뮴 텔루라이드 및 아연 텔루라이드를 포함한다. 단일 완충 층, 예를 들면, 아연 텔루라이드의 단일 층이 존재할 수 있거나, 층들의 조합이 존재할 수 있는데, 예를 들면, 상부에 카드뮴 텔루라이드 층을 성장시킨 기판 위에 아연 텔루라이드의 층을 성장시킬 수 있다. 카드뮴 아연 텔루라이드는 또한 완충 층으로서 사용될 수도 있다.
아연 텔루라이드를 성장시키기 위하여 아연 텔루라이드는 MBE 원료로서 사용하거나 아연 원소 및 텔루륨 원소를 사용하거나 원소와 화합물 재료의 배합물을 사용할 수 있다. 유사하게, 카드뮴 텔루라이드는 카드뮴 원소 및 텔루륨 원소 또는 카드뮴 텔루라이드 또는 이의 배합물을 사용하여 성장시킬 수 있다. 완충 층은 당업자가 인지하고 있는 표준 MBE 성장 공정을 사용하여 성장시킨다.
완충 층의 MBE 성장 후, CMT를 MOVPE에 의해 완충 층 위에 성장시킬 수 있 다. 그러나, MOVPE 성장 전에 완충 층의 표면을 세정하는 것이 바람직할 수 있다. 사용된 장치에 따라 완충된 기판을 MBE 성장 장치로부터 MOVPE 반응기로 이동시킬 필요가 있고/거나 가공 단계 사이에 지연이 있을 수 있다. 완충된 기판이 조절된 환경하에 유지되지 않는 경우, 상부 완충 층의 표면 위에 축적되는 불순물이 존재할 수 있다. 세정은 적어도 이들 불순물의 일부를 제거한다. 세정은 MOVPE의 기술 분야의 숙련가가 익히 이해하고 있는 바와 같은 완충된 기판을 에칭시켜 수행하거나 임의의 적합한 세정 공정에 의해 수행할 수 있다. 두 부분 사이의 블록 적재를 갖춘 조합된 MBE/MOVPE 시스템이 적소에 존재하는 경우, 세정은 필요하지 않다.
하나 이상의 CMT 층을 성장시키기 전에, 당해 방법은 MOVPE에 의한 하나 이상의 추가의 완충 층을 성장시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 MOVPE 완충 층은 MBE에 의해 성장된 완충 층 재료와 동일하거나 이와 상이할 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이 MBE는 MOVPE 성장에 대한 정확한 배향을 갖는 규소 위의 적합한 완충 층을 성장시키는 우수한 조절 가능한 방법을 제시한다. CMT의 MOVPE 성장에 대한 조건을 추가로 개선시키기 위해서는, 그러나, MOVPE에 의해 완충 층을 레잉 다운(laying down)하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, MBE 완충 층이 기판 위의 기층 아연 텔루라이드 위에서 성장시킨 카드뮴 텔루라이드의 상부 층을 포함하는 경우, 당해 방법은 MBE CdTe 층의 상부 위의 MOVPE에 의해 추가의 카드뮴 텔루라이드 층을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
MOVPE에 의해 추가의 완충 층을 성장시키는 것은 완충 층 두께를 증가시킬 수 있으며 이는 일부 양태에서는 유리할 수 있고, MOVPE는 MBE보다 신속한 성장법 이다. MOVPE 완충 층은 결정 품질을 개선시킬 수 있다. 추가의 MOVPE 완충 층은 또한 대기로 노출시킨 표면으로부터 CMT를 분리시키기에 또한 유용하며, 즉, MOVPE 완충 층을 레잉 다운시키는 것은 MBE 완충 층 및 수행하는 경우, 세정 공정의 임의 잔사의 산화 등으로 인한 어떠한 약간의 표면 불순물이라도 커버할 수 있다.
CMT 층의 성장은 반응기로 진입하는 전구체의 농도를 증기압 및 기류(편의상 수소)에 의해 가능하게는 추가의 청정한 기류(H2)에 의해 추가로 희석한 전구체를 함유하는 버블러(bubbler)를 통하여 조절되도록 하는, 표준 MOVPE 기술에 의하여 수행한다. 이러한 방법으로 Hg1 - xCdxTe는 x의 조절된 값으로 성장시켜 목적하는 장치 특성을 제공할 수 있다. 편리하게는 MOVPE 공정은 미국 특허공보 제4,566,918호에 기재된 바와 같은 CMT 성장의 내부 확산된 다층 공정을 사용하며, 즉, CMT를 성장시키는 단계는 CdTe 및 HgTe의 박층을 순차적으로 성장시킴을 포함하는데, 이는 성장 동안 내부 확산하여 CMT의 단층을 제공하고, CdTe 및 HgTe 층의 상대적 두께는 카드뮴 함량 x를 결정한다.
사용된 유기금속 전구체는 카드뮴 및 텔루륨으로서 어떠한 적합한 휘발성 텔루륨 및 카드뮴 화합물이라도 된다. 하나의 양태에서 텔루륨 전구체는 디-이소-프로필텔루라이드이고 카드뮴 전구체는 디메틸카드뮴이다.
CMT 층은 n-유형 또는 p-유형일 수 있는 적합한 도펀트로 도핑될 수 있다. 적합한 도펀트는 요오드, 비소, 인듐 및 안티몬을 포함하지만, 기타의 도펀트를 사용할 수 있다. 적합한 전구체는 이소-부틸요오다이드 및 트리스(디메틸아미노)비 소를 포함한다.
일반적으로 당해 방법은 의도하는 장치의 요건에 따라 CMT의 하나 이상의 층을 성장시킴을 포함한다. 상이한 층들은 상이한 두께, 조성(Hg1 - xCdxTe의 x) 및/또는 상이한 도펀트 및 도펀트 농도를 가질 수 있다.
따라서, 언급한 바와 같은 본 발명은 넓은 범위의 적외선 장치의 제조에 사용될 수 있는 조절된 카드뮴 수은 텔루라이드를 성장시키는 재생적이고 효과적인 방법을 제공한다. 제작된 층은 메사 에칭(mesa etching)시키거나 이온 빔 밀링시키거나 이온 주입시켜 당해 기술분야에 공지된 바와 같은 장치를 형성할 수 있다. 당해 방법은 당업자가 이해하고 있는 바와 같은 장치 형성 전이 MOVPE에 의해 하나 이상의 캡핑 또는 접촉 층들을 성장시킴을 포함한다. 캡핑 층은 이러한 기술이 메사 형성 없이 이온 밀링 또는 이온 주입시킨 장치에 대하여 사용되는 경우, 필요할 수 있다.
메사 장치가 형성되면, 장치를 당 업자가 이해하고 있는 패시베이션(passivation) 층으로 피복하는 것이 바람직하다. 메사의 측벽은 바람직하게는 하나 이상의 페이베이팅 층으로 피복하여 장치의 전기 안정성을 보장하고 물질로부터 수은의 손실을 방지한다. 따라서, 바람직하게는 당해 방법은 장치 가공 후, 장치를 하나 이상의 패시베이팅 장치로 피복하는 단계를 포함한다. 패시베이팅 층은 편리하게는 카드뮴 텔루라이드의 층일 수 있다. 편리하게는 패시베이팅 층은 MOVPE에 의해 성장시킨 에피택시얼 층이다.
본 명세서에 대하여, 용어 "장치 가공"은 초기 CMT 성장 후 CMT 재료에 적용 되는 어떠한 단계라도, 즉, MOVPE에 의해 CMT를 성장시키는 단계에 대한 중단, 특히 비평면상 CMT 표면을 남기는 에칭 등의 단계를 포함할 수 있다.
패시베이션 층을 성장시키기 위한 MOVPE의 사용은 본 발명의 또 다른 신규한 측면이다. 통상적인 패시베이션 층은 예를 들면, MBE에 의해 적용되는 또는 보다 통상적으로는 증발기 내의 증발된 층이다.
장치 패시베이션을 위한 MOVPE의 용도는 몇 가지 관점에서 유리할 수 있다. 우선 메사 장치의 건식 에칭은 가파른 측벽을 갖는 장치를 발생시킬 수 있고 MBE 기술은 측벽을 커버하는 데 점점더 실패할 수 있는데 이는 재료의 빔이 측벽에 수직보다는 수평이기 때문이다. 메사 사이의 채널을 용이하게 투과할 수 있는 기체를 기본으로 한 MOVPE 공정은 이러한 장치를 피복하는 데 훨씬 더 우수하다.
MOVPE에 의해 성장시킨 카드뮴 텔루라이드 등의 추가의 패시베이션 층은 CMT 층과 에피택시얼이고 결정성인 반면, MBE 및 증발시킨 CdTe는 다결정성이다.
사실상 장치 가공 후 추가의 에피택시얼 층을 성장시키는 증력은 본 발명의 추가의 신규한 측면이다. 이는 장치 가공 후 추가의 CMT 층의 성장을 가능하게 한다. 따라서, 당해 방법은 유리하게는 장치 가공 후 MOVPE에 의한 CMT의 추가의 에피택시얼 층을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법으로 따라서, CMT 샘플이 MOVPE 반응기로부터 제거되고, 장치 가공 단계로 처리되고, MOVPE 반응기로 대체되고, 그 위에 추가의 CMT 층이 성장될 수 있다. 샘플의 가공 및 취급에 따라, 세정을 장치 가공 단계 후에 필요로 할 수 있다.
제작된 장치는 이어서 접촉을 제공하고 판독 회로에 접착시킬 수 있다. 규 소가 기판으로서 사용되는 경우, 이는 장치가 열적으로 매칭되고 IR 투과성 기판이 박막화 공정을 필요로 하지 않도록 한다. 추가로, 본 발명은 장파(>8㎛) 적외선 파장에서 작동하는 규소 기판 위의 적외선 장치를 제조하기 위한 수단을 제공한다.
본 발명에 의하여 가능한 장치는 단파 검출기 및 광원, 중파 검출기 및 광원, 장파 검출기 및 광원 및 극장파 검출기 및 광원을 포함한다. 이중 밴드, 다중 밴드, 초스펙트럼 및 아발란시(avalanche) 장치를 본 발명에 의해 성장된 CMT를 사용하여 제조할 수 있다. 음성 발광 장치는 LED 및 단일 광자 광원과 같이 제작할 수 있고 장치는 초점 평면 어레이 적외선 검출기로부터 기체 센서에 이르는 기술 범위에서 사용될 수 있다. 트랜지스터 또한 본 발명의 방법을 사용하여 제작할 수도 있다.
본 발명의 2가지 개별적인 공정인, 기판 위에 완충 층들을 제조하기 위한 MBE와, 임의의 추가의 완충 층들인, CMT 층 및 패시베이팅 층을 성장시키기 위한 MOVPE의 용도를 포함한다는 것은 명백하다. 이들 두 공정은 상이한 시간에 장치의 상이한 단편에서 수행될 수 있지만, 언급한 바와 같이 MOVPE 이전에 보호된 환경하에 유지시키지 않은 완충된 기판은 세정을 필요로 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 측면에서는 금속 유기 증기 상 에피택시에 의한 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층의 성장에 적합한 완충 기판의 제조방법이 제공되는데, 당해 방법은 결정성 기판을 준비하는 단계 및 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명의 제2 측면은 MOVPE에 의해 CMT의 조절된 성장에 사용될 수 있는 적합한 완충 기판을 제공한다. MBE 완충 층의 성장에 관한 본 발명의 제1 측면의 양태 모두는 본 발명의 제2 측면에 적용 가능하다. 특히, 바람직하게는 기판은 {100} 형태로부터 <111> 또는 <110> 방향으로 미스얼라이닝된다. 바람직하게는 기판은 규소이고 배향은 바람직하게는 <111> 방향으로 1 내지 10° (001) 미스얼라이닝된다.
바람직하게는 완충 층 또는 층들의 성장 전에 당해 방법은 기판을 세정 및/또는 처리 및/또는 제조하는 단계를 포함한다. 기판을 세정하는 단계는 비소 융제하에 기판을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 비소는 세정 융제로 바람직한 물질이지만, 예를 들면, 카드뮴, 아연, 텔루륨, 카드뮴 텔루라이드, 아연 텔루라이드, 안티몬 또는 인 등의 기타 물질 또는 이의 배합물이 대신 또는 추가로 사용될 수 있다.
본 발명의 제3 측면에서는 결정성 기판 위에 분자 빔 에피택시에 의해 성장시킨 하나 이상의 완충 층을 포함하는 완충 기판을 준비하고, 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계를 포함하는, 카드뮴 수은 텔루라이드의 제조방법이 제공된다. 따라서, 본 발명의 제3 측면은 완충 기판, 예를 들면, 본 발명의 제1 측면에 의해 제조될 수 있는 기판을 준비하고, 특정 장치에 필요한 하나 이상의 CMT 층을 성장시키는 것이다. CMT 층의 성장에 관한 본 발명의 제1 측면에 대하여 위에서 기재한 모든 양태인, 완충 기판의 가능한 세정 및 MOVPE에 의한 추가의 완충 층의 가능한 성장이 본 발명의 제3 양태에 적용 가능하다.
본 발명은 전체 범위의 적외선 파장에 걸쳐 적외선 장치, 예를 들면, 검출기 또는 광원에서 사용하기 위한 CMT를 제조할 수 있도록 하고, 또한 이전의 곤란한 기판 재료를 사용할 수 있도록 하기 때문에, 본 발명은 신규한 장치를 제조하도록 한다.
따라서, 본 발명의 추가의 측면에서는 기판, 기판 위의 하나 이상의 완충 층 및 하나 이상의 완충 층 위의 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층(여기서, 기판 배향은 <110> 또는 <111> 방향으로 1 내지 10° {100} 미스얼라닝된다)이 제공된다. 이와 관련하여, 용어 "장치"는 적합한 회로에 연결되는 경우 적외선 장치로서 사용될 수 있는 재료 배열, 예를 들면, 초점 평면 어레이의 검출기 소자를 말하며, 즉, 이는 적합한 접촉 등으로 형성되는 경우 검출기 소자로서 작용할 것이다. 본 발명의 신규한 장치는 바람직하게는 본 발명의 방법에 의해 제조되고, 따라서 위에서 언급한 방법의 이점 및 양태는 적용 가능하다. 특히 기판은 규소일 수 있고 [111]로 1 내지 10° (001) 미스얼라이닝된 배향을 가지며 하나 이상의 완충 층은 아연 텔루라이드, 카드뮴 텔루라이드 및 아연 텔루라이드로부터 선택된 하나 이상의 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서는 기판, 기판 위에 형성된 하나 이상의 완충 층 및 하나 이상의 완충 층 위에 형성된 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 포함하는 적외선 장치(여기서, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층은 장파 적외선 파장 방사선에서 활성화되도록 조정되고 기판은 규소이다)가 제공된다. 위에서 사용된 바와 같이 용어 "활성"은 CMT가 장파장 적외선 방사선을 검출 또는 방출하도록 조정됨을 의미한다. 위에서 언급한 바와 같이 규소 위에 작업 장파장 적외선 CMT 검출기를 제작하는 것은 이전에는 가능하지 않았다. 본 명세서와 관련하여 용어 "장파장 적외선"이란 8㎛를 초과하는 컷 오프 파장(cut off wavelength)을 의미한다. 본 발명은 또한 탁월한 성능을 갖는 규소에 대한 장파장 적외선 발광 광원을 제조하도록 한다.
위에서 언급한 바와 같이, 장치 가공 후 CMT 위에 추가의 CMT 층을 에피택시얼 성장시키는 것은 본 발명의 또 다른 신규한 측면이다. 따라서, 본 발명의 또 다른 측면에서는 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층에 형성된 하나 이상의 메사 장치를 갖는 기판을 준비하고, MOVPE에 의해 하나 이상의 Hg1 - xCdxTe 층을 성장시킴을 포함하여, 하나 이상의 결정성 Hg1 - xCdxTe 층(여기서, 0≤x≤1)을 성장시키는 방법이 제공된다.
본 발명을 이제 다음 도면을 오로지 예로써만 참조하여 설명할 것이며, 도면에서,
도 1은 본 발명에 따르는 통상적인 적외선 검출기 배열을 나타내고,
도 2는 MBE의 원칙을 설명하는 일반적인 MBE 장치를 나타내고,
도 3은 MOVPE의 원리를 설명하는 일반적인 MOVPE 장치를 나타내고,
도 4는 본 발명의 방법을 사용하여 제작된 도 1에 나타낸 바와 같은 장치에 대한 80K에서의 저장 면적 및 전류-전압 플롯을 나타내고,
도 5는 본 발명의 방법을 사용하여 제작한 128×128 어레이의 반대 면에서 2개의 다이오드에 대한 온도 함수로서의 R0A의 플롯을 나타내며,
도 6은 규소 위의 128×128 장파 CMT 어레이로부터의 적외선 화상을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 방법에 따라 제작된 통상적인 적외선 다이오드가 나타나 있다. 당해 장치는 2개의 완충 층(104) 및 (106)을 갖는 규소 기판(102)을 포함한다. 완충 층(104)은 얇은 아연 텔루라이드 층이고 완충 층(106)은 보다 두꺼운 칼드뮴 텔루라이드 층이지만, 기재하는 바와 같이 기타의 완충 층을 사용할 수도 있을 것이다.
이어서, 장치는 3개의 상이한 CMT 층(108), (110) 및 (112)를 갖는다. CMT 층(108)은 p+ 도핑된 접촉 층이다. 층(110)은 n- 도핑된 흡수 층이고 최상 CMT 층(112)은 n+ 접촉 층이다. 금속 접촉(114) 및 일부 판독 회로용 범프 접착용 인듐 범프(116)가 최상 CMT 층(112) 위에 형성된다. 카드뮴 텔루라이드(118)의 패시베이션 층은 금속 접촉(114)에 의해 커버되지 않는 상부 CMT 층(112)의 영역 위로 제공된다. 따라서, 장치는 당업자에 의해 이해되는 n-온-p 다이오드 구조물을 나타낸다. 또 다른 방법으로, p-온-n 구조물은 층(108), (110) 및 (112)의 순으로 단순히 역행하여 제조할 수 있을 것이다.
도 1에 나타낸 장치는 기재하는 바와 같이 본 발명의 신규한 방법을 사용하여 제작할 수 있다. 우선 필요한 크기의 실리콘 웨이퍼를 준비하고 제조한다. 규소는 적외선에 대하여 투과성이고, 대형 웨이퍼에서 사용 가능하고, 열 전도율이 높고, 강하고, 규소이면 판독 회로에 열적으로 매칭되므로, 바람직한 기판 재료이 다. 그러므로, 규소 기판을 사용하면 장치가 작동 온도(예를 들면, 약 80K)로 냉각되는 경우, 열적 미스-매치로 인한 응력이 제거될 수 있다. 그러나, 기타의 기판 재료, 예를 들면, 카드뮴 텔루라이드, 아연 텔루라이드, 카드뮴 아연 텔루라이드, 카드뮴 아연 셀레나이드, CdSeTe, CdZnSeTe 및 유사한, 비화갈륨, 게르마늄, 인듐 안티모나이드, 인듐 알루미늄 안티모나이드, 인듐 갈륨 안티모나이드, 인화인듐, 사파이어, 알루미나 또는 첨정석이 사용될 수도 있을 것이다.
실리콘 웨이퍼는 배향이 [111]로 1 내지 10° (001) 미스얼라이닝되도록 절단한다. {100} 배향으로 규소 위의 완충 층 위에서 성장시킨 CMT는 도메인 및 힐록 결함을 형성하는 경향이 있다. 그러나, 본 발명자들은 (001)로부터 [111] 방향으로의 수 도의 미스배향이 도메인을 제거하므로 결함을 감소시킬 수 있음을 밝혀내었다.
이어서, 규소 웨이퍼는 불화수소산/에탄올 중에서 에칭시켜 수소 말단 표면을 남기고 불활성 기체로 건식 취입한다. 에칭은 또한 REOX 공정을 사용하여 수행될 수도 있다. 이어서, 기판은 MBE 챔버로 가중될 준비가 된다.
MBE는 초고진공에서 수행되는 공정이다. 도 2를 참조하면, 액체 질소(202)는 진공을 유지시키는 어시스트를 감싼다. 원료는 기계 속의 유출 셀(204) 내부의 도가니에 함유되어 있다. 유출 셀(204)은 도가니의 개방 말단이 가열된 기판(206)을 가리키도록 위치시킨다. 재료를, 도가니의 말단 위의 셔터(208)가 제거될 때 도가니에서 가열된 기판으로 이동시킨다.
기판으로 이동시킨 재료의 양은 도가니의 온도에 좌우되는데, 온도가 높을수 록 재료의 증기압이 높으므로 보다 많은 재료가 이동된다. 가열 코일(210)은 도가니의 온도를 조절한다. 시스템이 진공하에 존재하므로, 낮은 증기압에서도 재료는 가열되는 경우 충분히 증발되고 기판으로 이동될 수 있다. 역시, 시스템은 진공하에 존재하기 때문에, 재료의 빔은 유출 셀로부터 샘플로 주위 기체의 간섭 없이 이동된다. 유출 셀은 통상적으로, 따뜻한 상태로 유지되지만 재료를 증발시키기에 충분히 뜨겁지는 않은 완만한 온도에서 유지된다. 성장이 개시되기 전에, 셀은 이의 성장 온도로 가온시켜 충분한 물질이 도가니로부터 증발되어 목적하는 층으로 성장할 수 있다.
에칭된 규소 기판(206)을 가중 록(load lock)을 통하여 MBE 키트로 가중시킨다. 기판을 가열되고 또한 회전하는 홀더(212) 위에 클립핑(clipping)시킨다. 회전은 성장된 층들의 균일성을 보조한다. 성장 동안의 기판의 온도는 침착된 재료가 재증발되는 온도보다 낮지만, 원자가 표면 위에서 이동하고 결정성 물질을 형성하도록 하기에는 충분히 뜨겁다.
목적하는 완충 층들을 성장시키는 데 이전에 사용되었던 MBE 키트를 사용하는 것이 유리할 수 있다고 밝혀졌다. 이전의 성장 실행은 MBE 키트를 후속적인 고품질의 결정을 성장시키도록 조절할 수 있는 효과가 있다. "청정한" MBE 키트로는, 따라서 한 쌍의 조절 성장 실행을 우선 성장하는 것이 유리할 수 있다.
에칭된 기판은, 일단 챔버에 가중되면, 비소 융제하의 온도에서 처리한다. 기판은 비소 융제하에 성장 온도보다 높은 온도로 가열한다. 비소 융제는 비소 셀 전방으로부터 셔터를 이동시켜 개시하여 셔터를 교체하고 챔버로부터 과량의 비소 압력을 제거함으로써 종결시킨다. 온도를 성장 온도로 강하시키고 아연 텔루라이드 성장을 원료가 성장에 사용되어야 하는 데 따라 필요한 만큼 아연 텔루라이드, 아연 및 텔루륨 셀 전방으로부터 셔터를 이동시켜 개시한다. 일단 아연 텔루라이드의 필요 두께가 성장되면, 셔터를 교체한다. 또한, 카드뮴 텔루라이드는 셔터를 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 및 텔루륨 셀의 전방으로부터 필요한 만큼 이동시켜 성장시킨다. 역시, CdTe 성장 종료시 셔터를 교체한다. 일단, 성장이 완료되면, 셀을 완만한 온도로 냉각시키고 기판을 냉각시키고 기계로부터 양하시킨다.
ZnTe의 얇은 층을 MBE에 의해 규소 기판 위에서 성장시켜 기판 배향을 (001)로 설정하고 CdTE 완충 층의 접착성을 개선시키고 이를 후속적으로 성장시킨다. MBE에 의해 규소 위에서 직접 성장된 CdTe는 기판으로부터 플레이크(flake)화되는 경향이 많다. 그러나, 일부 기판의 경우, 접착성은 문제가 아니며 CdTe의 단층 또는 기층이 사용딜 수 있을 것이다(예: GaAs 기판 위). 또한, 일부 장치의 경우, ZnTe의 단층은 추가의 CdTe 층 없이도 충분하다. 완충 층은 바람직하게는, 결정 품질이 약 8㎛까지의 두께를 갖는 경우 증가시킬 수 있으므로, 총 두께가 약 8㎛이다. 그러나, MBE는 상대적으로 느린 공정이므로 8㎛ 미만의 두께가 허용될 수 있다.
성장 공정의 일부는 이동 강화 에피택시(MEE)를 사용하여 수행할 수 있으며, 본 명세서와 관련하여 MBE에 대한 언급은 MEE를 나타냄을 포함한다.
이어서, CdTe/ZnTe/Si를, 어떠한 에칭/세정 단계라도 필요한 만큼 수행하면서 MOVPE 반응기로 이동시킨다. 도 1에 나타낸 장치를 제조하기 위하여 3개의 CMT 층들을 성장시키며, 각각의 층은 미국 특허공보 제4,566,918호에 기재된 내부 확산된 다층 공정에 의해 성장시킨다. MBE 장치 및 MOVPE 장치는 종종 장치의 개별적인 단편이지만, 이들이 왜 가중 록 또는 두 장치 사이의 이동 메카니즘을 갖춘 단일 단위에 합쳐질 수 없는지에 대한 근거는 없다. 특정한 키트 한 단편을 MBE 및 MOVPE 챔버와 가중 록 또는 두 장치 사이의 이동 메카니즘으로 배열할 수 없다.
도 3은 MOVPE 성장의 원리 및 MOVPE 성장에 적합한 장치를 나타내지만, 사용되는 실제 장치는 다양할 수 있다. 미국 특허공보 제4,566,918호에 보다 상세히 기재되어 있는 바와 같이, 수소 공급은 질량 유동 조절기(3), (4) 및 (23)를 통하여 기관(1)으로부터 버블러(6), (7) 및 (25)로 공급된다. 밸브(8)가 폐쇄되고 밸브(10) 및 (11)이 개방되면 버블러(6)을 통한 기류가, 반면에 밸브(10) 및 (11)이 폐쇄되고 밸브(8)이 개방되면 질량 유동 조절기(2)로부터의 수소 유동이, 우회선(14)을 통하여 스크러버 또는 필터(31)로 향한다. 유사하게는 버블러(7)는 밸브(9), (12) 및 (13)에 의해 조절될수 있고, 버블러(25)는 밸브(26), (27) 및 (28)에 의해 조절될 수 있다. 단순성을 위하여 3개의 버블러만이 도 3에 나타나 있지만, 보다 많은 버블러가 실질적으로 필요할 수 있다. 따라서, 각각의 버블러를 통한 유동이 조절될 수 있다. 버블러(6), (7) 및 (25)로부터의 유동은 혼합기(15) 내에서 혼합될 수 있으며, 여기서 반응 용기(16)로 진입하기 전에 조절기(5)로부터의 기류로 희석시킬 수 있지만(밸브(32) 및 (33)에 의해 조절됨), 다른 배열에서는 전구체를 개별적으로 반응 용기로 공급하고 이를 반응기 내에서 혼합하는 것이 바람직할 수 있다.
완충된 기판(20)은 서셉터(susceptor)(21) 위의 반응 용기(16)에 위치한다. 수은 원소 욕(19)을 반응기 벽(24) 또는 임의의 적합한 가열 수단, 예를 들면, 수은 욕 하부에 위치한 내부 카트릿지 히터를 통하여 가열 부재(17)에 의해 가열시키고, 수은 증기의 부분압을 유지시킨다. 완충된 기판을 유도 히터(18)에 의해 가열하거나 기타 적합한 수단으로 가열하여 버블러(6), (7) 및 (25)로부터의 기체 스트림 속의 금속-유기 전구체가 기판 부근에서 분해된다.
버블러(6)는 카드뮴 전구체, 예를 들면, 디메틸카드뮴을 함유하고 버블러(7)는 텔루륨 전구체, 예를 들면, 디-이소-프로필텔루라이드를 함유한다. 버블러(6) 및 (7)로부터 반응 챔버로의 기류는 후속적으로 밸브의 적합한 조절에 의해 조절되어 수은 텔루라이드 및 카드뮴 셀루라이드의 박층을 조절하고, 층들의 두께는 성장 공정 동안 층들의 내부 확산에 의해 형성되고 최종 CMT 층의 전체 카드뮴 함량을 조절하도록 조절한다.
제1 p+ CMT 층을 제조하기 위하여 p-형 도펀트를 도입하여야 한다. 적합한 p-형 도펀트는 비소이지만, 기타 도펀트, 예를 들면, 인 및 안티몬을 고려할 수 있을 것이다. 따라서, 도펀트 버블러(25)는 적합한 전구체, 예를 들면, 트리스(디메틸)아미노비소를 함유하고(기타 휘발성 비소 화합물이 사용딜 수 있다), 버블러 온도 및 당해 버블러를 통한 기류는 적합한 도핑을 제공하도록 조절한다. 제1 CMT 층이 성장한 후, 기타의 CMT 층들을 후속적으로 성장시킬 수 있다. n-형 층에 적합한 n-형 도펀트는 요오드이고 전구체로서는 이소-부틸요오다이드이지만, 기타의 전구체를 사용할 수 있으며 기타의 도펀트, 예를 들면, 인듐을 사용할 수 있다. 언급한 바와 같이 상이한 도펀트가 사용되는 경우, MOVPE 장치는 도 3에 나타낸 단일 도펀트 버블러보다는 개별적으로 조절될 수 있는 복수의 도펀트 버블러를 가질 것이다. 유사하게는 어떠한 MOVPE 완충 층이라도 성장되어야 하는 경우, 장치는 완충 층 부품에 대한 전구체를 수용하는 버블러를 함유할 수 있다.
MOVPE에 의한 CMT 층들의 성장 후, 수은을 다량 함유한 환경하에 물질을 어닐링하는 것이 바람직한데, 이는 수은 공백을 채우고 목적하는 전기 특성을 보장한다. 어닐링은 MOVPE 반응기에서 수행할 수 있으며, CMT 층들의 성장 직후에 수행하거나 어떠한 적합한 장치라도 사용하여 이후에 수행할 수 있다.
55㎛ 피치 위의 128×128 검출기의 2차원 어레이를 위에서 기재한 바와 같이 성장시킨 CMT 재료로부터 제작하고, 장파 적외선 파장 작동으로 조정하였다. 개별적인 다이오드를 브롬산을 사용하여 습식 에칭 메사에 의해 형성하였다. 얇은 결정성 CdTe 패시베이션 층을 MOVPE에 의해 침착시켰다.
건식 에칭을 또한 사용할 수 있는데; 건식 에칭된 메사는 메사 사이의 보다 깊고 협소한 트렌치를 갖고, 기체 상 MOVPE의 사용은 기체가 협소한 트렌치를 보다 용이하게 투과할 수 있으므로, 패시베이션에서 현저힌 이점이다. 패시베이션 층의 성장에 MOVPE를 사용하면 또한 통상적인 MBE 패시베이션 층을 사용하여 형성된 다결정성 층과는 달리 보다 강한 결정성 CdTe 층을 발생시킨다. 윈도우는, 금속 접촉 및 인듐 범프 침착 전에 패시베이션에서 에칭시킨다(도 1 참조). 하나의 어레이를 규소 리드아웃(leadout) 칩에 플립 칩 접착(flip chip bonding)시켜 장치 특성을 측정하고 또 다른 것을 판독 칩에 접착시켜 검출기의 화상 어레이를 실현하였 다.
흡수 층의 카드뮴 조성(Hg1 - xCdxTe의 x)을 10.2㎛ 컷-오프 파장(여기서, 컷-오프란 최대 반응의 50%로 정의된다)에 상응하도록 설정하였다. 다이오드 특성을 유효하게는 영 시야각(FOV)으로 냉각기(cryostat)에서 온도 함수로서 측정하였다. 어레이의 다이오드들 중의 하나의 80K 전류 전압(I-V) 및 저항-면적 곱(R.A)을 도 4에 나타낸다. 0전압에서의 R.A.인 R0A 및 R최대A는 이러한 컷-오프 파장(각각 ~103Ohm-㎠ 및 ~104Ohm-㎠)을 갖는 장치에 대하여 높다. 파괴 특성 또한 탁월한데, R.A 값은 1V 역 바이어스에서 102Ohm-㎠을 초과한다.
어레이의 반대 말단에 위치한 2개의 다이오드에 대한 온도의 함수로서의 R0A의 플롯을 도 5에 나타낸다. 이러한 장치에 대하여 예상되는 확산 및 발생 재조합(G-R) 제한된 R0A 곡선을 또한 나타낸다. 두 다이오드로부터의 R0A 값은 CMT 조성, 도핑 프로파일, 패시베이션 및 제작이 어레이에 걸쳐 균일함을 나타내는 60K 이하의 온도에 대해서 유사하다.
판독 회로에 접착된 어레이로부터의 화상(도 6)은 작업 검출기 99.7%로 구성된다. 이는 규소 기판 위에서 성장된 장파 CMT 어레이에 대해서 보고된 최대 작동성이다.
위에 제시된 실시예에서는 MOVPE에 이어서 장치 가공에 의한 CMT의 단지 한 개의 성장 단계 및 이후 패시베이션의 MOVPE 성장이 존재하지만, 이러한 이후의 성 장 단계는 추가의 에피택시얼, 결정성 CMT 층들의 성장을 포함할 수 있다. 이는 이전에 달성할 수 없었던 복잡한 장치 및 구조물을 형성할 수 있도록 한다. 이어서, 추가의 CMT 층들을 필요한 추가의 장치 가공 단계로 처리하여 CMT 또는 패시베이션 층들을 추가로 재성장시킬 수 있다.

Claims (37)

  1. 결정성 기판을 준비하는 단계(a),
    기판 위에서 분자 빔 에피택시(epitaxy)에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계(b) 및
    하나 이상의 완충 층 위에서 금속-유기 증기 상 에피택시에 의해 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계(c)를 포함하여, 화학식 Hg1 - xCdxTe의 카드뮴 수은 텔루라이드(여기서, x는 0 이상 1 이하이다)를 성장시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기판이 카드뮴 텔루라이드, 아연 텔루라이드, 카드뮴 아연 텔루라이드, 비화갈륨, 규소, 게르마늄, 인듐 안티모나이드, 인듐 알루미늄 안티모나이드, 인듐 갈륨 안티모나이드, 인화인듐, 사파이어, 카드뮴 아연 셀레나이드, 카드뮴 아연 셀레나이드 텔루라이드, 알루미나 및 첨정석으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 기판이 규소인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 결정성 기판을 준비하는 단계가, 기판을 형태{100}로부터 <111> 또는 <110> 방향으로 미스-얼라이닝(mis-aligning)되도록 배열함을 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 기판이 미스-얼라이닝되는 정도가 1 내지 10°인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 기판이 규소이고, 규소 기판 배향이 [111] 방향으로 (001) 미스-얼라이닝되는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계가 아연 텔루라이드, 카드뮴 텔루라이드 및 카드뮴 아연 텔루라이드로부터 선택된 하나 이상의 층을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계가 기판 위에 아연 텔루라이드 층을 성장시키고 아연 텔루라이드 층 위에 카드뮴 텔루라이드 층을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계 전에, 분자 빔 에피택시에 의해 성장된 최상 완충 층의 표면을 세정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시킨 후, 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 금속 유기 증기 상 에피택시 단계에 의해 성장된 하나 이상의 완충 층이 분자 빔 에피택시에 의해 성장된 완충 층과 동일한 방법.
  12. 제11항에 있어서, 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계가 기판 위의 아연 텔루라이드 기층 위에 카드뮴 텔루라이드 상층을 성장시킴을 포함하고 하나 이상의 추가의 완충 층을 성장시키는 단계가 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 추가의 카드뮴 텔루라이드 층을 성장시킴을 포함하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계가 후속적으로, 성장 동안 내부 확산하는 CdTe 및 HgTe 박층을 성장시켜 단일 CMT 층을 제공하고, CdTe 및 HgTe 층들의 상대 두께가 카드뮴 함량 x를 결정하는 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, MOVPE에 의해 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계에서 디-이소-프로필텔루라이드가 텔루륨 전구체이고, 디메틸카드뮴이 카드뮴 전구체인 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계가 카드뮴 수은 텔루라이드 층들 중의 하나 이상을 도펀트로 도핑시킴을 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 도펀트가 요오드, 비소, 인듐, 인 및 안티몬으로부터 선택되는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층이 성장하는 단계가, 복수의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계를 포함하고, 층들의 적어도 일부가 상이한 두께, 조성, 도펀트 및/또는 도펀트 농도를 갖는 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 장치 가공 단계를 추가로 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 장치 가공 단계 후, 장치를 하나 이상의 패시베이팅 층(passivating layer)으로 피복하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 하나 이상의 패시베이팅 층이 카드뮴 텔루라이드를 포함하 는 방법.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 장치를 패시베이팅 층으로 피복하는 단계가 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 성장된 하나 이상의 에피택시얼 층을 성장시킴을 포함하는 방법.
  22. 제18항에 있어서, 장치 가공 단계 이후, 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 추가의 카드뮴 수은 텔루라이드 에피택시얼 층을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  23. 결정성 기판을 준비하는 단계 및 분자 빔 에피택시에 의해 하나 이상의 완충 층을 성장시키는 단계를 포함하는, 금속 유기 증기 상 에피택시에 의한 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층의 성장에 적합한 완충 기판의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서, 기판이 형태{100}으로부터 <111> 또는 <110> 방향으로 미스얼라이닝되는 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 기판이 규소인 방법.
  26. 제25항에 있어서, 규소 기판의 배향이 [111]로 1 내지 10° (001) 미스얼라 이닝되는 방법.
  27. 제1항 내지 제26항 중의 어느 한 항에 있어서, 분자 빔 에피택시에 의하여 하나 이상의 완충 층을 성장시키기 전에, 기판을 세정/처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 기판을 세정/처리하는 단계가 비소 융제하에 기판을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 분자 빔 에피택시에 의해 결정성 기판 위에서 성장시킨 하나 이상의 완충 층을 포함하는 완충 기판을 준비하는 단계 및 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 성장시키는 단계를 포함하는, 카드뮴 수은 텔루라이드의 제조방법.
  30. 제29항에 있어서, 완충 기판이 제23항 내지 제28항 중의 어느 한 항에 따르는 방법에 의해 제조되는 완충 기판인 방법.
  31. 기판, 기판 위의 하나 이상의 완충 층 및 하나 이상의 완충 층 위의 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 포함하는 적외선 장치로서, 기판 배향이 <110> 또는 <111>로 1 내지 10° {100} 미스얼라이닝되는 적외선 장치.
  32. 제31항에 있어서, 기판이 규소이고 [111]로 1 내지 10° (001) 미스얼라이닝된 배향을 갖는 적외선 장치.
  33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 하나 이상의 완충 층이 아연 텔루라이드, 카드뮴 텔루라이드 및 카드뮴 아연 텔루라이드로부터 선택된 하나 이상의 층을 포함하는 적외선 장치.
  34. 기판, 기판 위에 형성된 하나 이상의 완충 층 및 하나 이상의 완충 층 위에 형성된 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층을 포함하는 적외선 장치로서, 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층이 장파 적외선 파장에서 활성화되도록 조정되고 기판이 규소인 적외선 장치.
  35. 제31항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서, 검출기인 적외선 장치.
  36. 제31항 내지 제34항 중의 어느 한 항에 있어서, 적외선 광원인 적외선 장치.
  37. 하나 이상의 카드뮴 수은 텔루라이드 층에 형성된 하나 이상의 메사 장치를 갖는 기판을 준비하는 단계 및 금속 유기 증기 상 에피택시에 의해 하나 이상의 Hg1-xCdxTe 층을 성장시키는 단계를 포함하여, 하나 이상의 결정성 Hg1 - xCdxTe 층(여 기서, x는 0 이상 1 이하이다)을 성장시키는 방법.
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