硅表面砷钝化的量子途径和碲镉汞选择生长的机理

基于HgCdTe材料的第三代焦平面技术已成为当前该领域国际竞争的焦点，需要在微观尺度上对HgCdTe的硅基异质生长从量子物理的角度进行认识。为此本项目将从理论上围绕硅基异质生长动力学的量子机理开展相应的应用基础研究：（1）通过第一性原理研究吸附物与表面的相互作用、结合类型、成键取向和电子特性的变化，澄清Si(211)基底表面的重构形式和As钝化的微观途径；（2） 通过第一性原理的总能计算，弄清As原子是如何在硅衬底上抑制II-VI族化合物的A面生长和有利于B面生长的机理，从而弄清非极性的硅衬底上如何形成符合极性化合物的有序分布。（3）通过比较分析电荷性对异质外延生长的影响，确定钝化的过程对外延生长的作用，利用键长、键角和非对称性特性与实验参数比较，明确不同缓冲层对HgCdTe生长的影响，揭示HgCdTe材料Si基As钝化表面选择性生长的机理，为Si基碲镉汞材料外延生长提供微观的支撑作用。

针对碲镉汞材料的第三代红外焦平面技术国际竞争的焦点，本项目从理论上围绕硅基异质外延碲镉汞材料的量子机理开展了应用基础研究。提出了Si(211)基底表面As部分置换的模型，单个或多个As置换表面Si原子之后，不仅没有破坏原有的重构形式，所形成的结构也很稳定；发现了As饱和了表面部分悬挂键，在削弱表面态的同时仍然保留了表面态的特性。采用部分钝化As/Si(211)基底，发现As钝化不仅可以较大地改善晶体生长质量，同时，As钝化对于II-VI族材料CdTe在该基底上的外延生长A、B面极性的选择生长也起了重要的作用。阻止A面极性生长。而在B面极性生长中，吸附层与基底之间的键能够促成B面极性的生长。对经过As钝化处理外延生长的材料进行面极性腐蚀分析表明，B面极性可通过表面As钝化得到有效的控制。这与我们的理论模型关于As钝化进行面极性控制结果一致。通过不同基底表面的材料生长，选择不同吸附位置，明确了不同缓冲层对HgCdTe生长的影响，研究结果为Si基大面积碲镉汞材料外延生长提供微观的理论指导,获得的硅基上的碲镉汞外延材料质量满足大面积红外焦平面的制备。