微观纳米尺度Au掺杂P型碲镉汞薄膜材料形成机理

In this project, the vapor phase epitaxial method with advantages of simple and low-cost will be used to grow HgCdTe infrared materials. The formation and activation mechanism of p-HgCdTe film materials doped with Au nanoparticle will be studied by using the vapor deposition furnace which can control the temperature of Hg source areas and epitaxial areas respectively.The growth and annealing process can be achieved within one epitaxial system as well. The pressure of growth chamber can be precisely controlled by adjusting the mercury source temperature. Meanwhile, this process can reduce the mercury vacancy effectively. The electrical parameters of the materials will be adjusted by two-temperature areas in situ annealing, which can influence the defect distribution of the material, and reduce the surface defects and contamination of the materials that caused by non-situ annealing. In order to optimize the parameters of growth and annealing process, First-principles calculations and Finite Element Analysis will be used to simulate the vapor phase epitaxial growth process of HgCdTe to explorethe physical mechanisms of atomic-scale doping. This project can offer guidance to esolve the key scientific problems of the infrared material. Moreover, it can provide the experimental and theoretical basis for civilian use of HgCdTe infrared materials.

本项目拟利用低成本、结构简单的气相外延方法,研究Au纳米颗粒掺杂P型HgCdTe薄膜材料的形成机理，以及Au激活的关键因素。利用多段控温设备，分别控制Hg源和生长区温度，在一套外延系统内即可实现生长与退火。通过高、低温原位退火调整材料电学参数，控制材料缺陷，减少由于非原位退火造成的薄膜材料表面缺陷和污染；利用第一性原理分析富Hg条件下气相生长p型Au掺杂HgCdTe材料的形成机制，研究气相生长条件下不同尺度纳米Au在HgCdTe材料中的成键机制和电子结构；利用有限元分析方法对HgCdTe气相外延生长过程进行计算机仿真模拟，优化生长、退火参数；研究微观纳米尺度金掺杂的物理机制；通过理论、实验相结合，实现高品质电学参数的p型HgCdTe薄膜材料生长。本项目可为我国红外探测器提供材料基础，切实解决材料中的关键科学问题，为实现HgCdTe红外探测材料的民用化打下实验和理论基础。

随着红外技术的不断发展，红外探测器的结构和光电特性引起了广泛关注。但是，红外探测器的精度仍然受到材料的电学性能、面积和均匀性等参数的限制。碲镉汞具有本征载流子浓度低、表面态密度低、光学吸收系数大等优点，是一种重要的红外探测器材料。碲镉汞n型掺杂很容易通过In原位取代Hg获得，并能得到很高的载流子浓度。但是，目前可控的碲镉汞p型掺杂仍然是碲镉汞探测器技术的发展瓶颈。Au在碲镉汞材料中扩散系数较低，表现出良好的稳定性，并且Au杂质在碲镉汞价带顶端形成杂质能级，Au充当受主，因此，Au是一种有效的P型掺杂。 .本项目采用气相外延技术生长Au掺杂的Hg1-xCdxTe薄膜材料，利用范德堡法对薄膜材料进行电学性能表征。通过变温霍尔测量，分析了常规Au掺杂p型薄膜的霍尔系数和霍尔迁移率随温度的变化，利用二次离子质谱(SIMS)分析薄膜中Au的纵向分布趋势。同时利用SIMS技术分析了多种杂质在Hg1-xCdxTe外延层以及CdZnTe衬底中的纵向分布趋势，发现衬底和外延层的过渡区具有吸杂的作用。讨论了三种反常p型薄膜的霍尔系数和霍尔迁移率随温度的变化。通过变磁场霍尔测量，分析了具有反型层Hg1-xCdxTe薄膜的迁移率谱，证实了由于表面电子、体电子以及体空穴混合导电造成的反常霍尔性能。.利用第一性原理分别计算了Hg1-xCdxTe以及Au掺杂Hg1-xCdxTe（x=0.25，x=0.5，x=0.75）的结构弛豫、电荷密度、电子局域函数、态密度和能带结构，以分析掺杂的稳定性和有效性。Au在三种组分的碲镉汞中具有一定的稳定性，并且Au原子与第一临近Te原子的成键强度随着组分x 的增加呈现减弱趋势。另一方面，Au掺杂三种组分的碲镉汞在价带顶端均形成了浅杂质能级，表现出良好的p型掺杂性质。Au原子的掺入对组分x=0.25，x=0.5这两种组分的价带顶端作用较为明显，更容易形成p型掺杂。此外，Au掺杂三种组分碲镉汞的带隙宽度和组分x之间表现为近似线性关系，并拟合出二者之间的线性关系式。. 本项目为我国红外探测器提供材料基础，切实解决材料中的关键科学问题，为实现HgCdTe红外探测材料的民用化建立了良好的实验和理论基础。