稀磁半導(dǎo)體Hg-,1-x-Mn-,x-Te的晶體生長及性能表征.pdf

1、Hg<,1-x>Mn<,x>Te是由二價磁性離子Mn<'2+>部分取代HgTe晶格巾的Hg<'2+>形成的三元稀磁半導(dǎo)體。零磁場時，Hg<,1-x>Mn<,x>Te的電子能帶結(jié)構(gòu)及其它半導(dǎo)體性質(zhì)(包括禁帶寬度、電子空穴遷移率、載流子濃度等)與Hg<,1-x>Cd<,x>Te十分相似，并在某些方面的性能更加優(yōu)越。因而，Hg<,1-x>Mn<,x>Te成了替代Hg<,1-x>Cd<,x>Te制作紅外探測器的一種主要候選材料。由于Mn<'2+

2、>離子的存在，磁場下的Hg<,1-x>Mn<,x>Te具有很多新的性能。制備高質(zhì)量的Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶體是材料研究及器件發(fā)展的關(guān)鍵。 為了減少生長態(tài) Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶體中的位錯及Hg空位，獲得性能優(yōu)良的單晶體，本文從坩堝的鍍膜工藝優(yōu)化、長晶爐的溫場設(shè)計、品體生長結(jié)束后的原位退火、原料的配比調(diào)整以及封裝工藝的改進(jìn)五個方面進(jìn)行了工藝優(yōu)化和改進(jìn)。通過不同的工藝組合，成功生長了多根Φ15×135mm<'

3、2>的Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶錠。所生長的晶錠表面光滑，說明通過改進(jìn)鍍膜工藝制備的碳膜有效防止了晶體與坩堝之間的粘結(jié)。采用化學(xué)計量比配料，抽真空時使用液氮對Hg冷卻，并在生長結(jié)束后進(jìn)行長時間退火處理，顯著降低了晶體的缺陷密度，提高了晶體的結(jié)晶質(zhì)量，從而改善了晶體的電學(xué)及其它性能。通過該工藝所獲晶片的載流子濃度、遷移率和電阻率分別在1.5×10<'16>cm<'-3>，500cm<'2>·V<'-1>·s<'-1>及0.75Ω·

4、cm左右。而對于用來制備器件的p型紅外晶體來講，當(dāng)載流子濃度小于3.0×10<'16>cm<'-3>，遷移率大于400cm<'2>·V<'-1>·s<'-1>即可滿足器件需求，通過對比可以看出，所獲晶片的這兩個性能都大幅度超過了這一要求，說明通過改進(jìn)工藝所獲晶片已經(jīng)可以直接用于器件制備。 采用霍爾范德堡測量方法分別在77K和室溫下對多個Hg<,1-x>Mn<,x>Te的電學(xué)性能進(jìn)行測量時發(fā)現(xiàn)，部分晶片在77K下的導(dǎo)電類型為p型，

5、而在室溫下卻為n型。通過理論分析對此現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。分析表明，Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶片中電子遷移率與空穴遷移率的比值較大和Hg<,1-x>Mn<,x>Te的禁帶較窄是造成晶片導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)變的主要原因。室溫時該方法僅適合對Hg<,1-x>Mn<,x>Te試樣的電阻率進(jìn)行測量，而采用該方法在室溫測得的其它電學(xué)參數(shù)已經(jīng)不能反映Hg<,1-x>Mn<,x>Te試樣的真實性能。利用該方法在77K對化學(xué)拋光前后的Hg<,1-x>Mn<,x

6、>Te試樣測量時發(fā)現(xiàn)，試樣在化學(xué)拋光前所測的電阻率和霍爾系數(shù)值相對較小，而所測的霍爾遷移率和載流子濃度值相對較大。其中電阻率和霍爾遷移率在化學(xué)拋光前后變化幅度分別高達(dá)25％和31％，而霍爾系數(shù)和載流子濃度的變化幅度只有2％左右。化學(xué)拋光前，晶片表面損傷層內(nèi)存在大量位錯，對載流子的遷移造成散射，使得損傷層中的霍爾遷移率降低，但化學(xué)拋光前所測得的霍爾遷移率反而比拋光后的大，增幅最小的也達(dá)到了21％。本文在三層模型的基礎(chǔ)上，通過理論分析和計算

7、，對這一反?，F(xiàn)象以及化學(xué)拋光前后其它電學(xué)參數(shù)的變化進(jìn)行了解釋。 根據(jù)不同的器件制備需求，半導(dǎo)體和金屬應(yīng)形成歐姆接觸或肖特基接觸，通過對Au/Hg<,1-x>Mn<,x>Te接觸與AlHg<,1-x>Mn<,x>Te接觸的I-V特性研究表明，Au/Hg<,1-x>Mn<,x>Te接觸為良好的歐姆接觸，而Al/Hg<,1-x>Mn<,x>Te接觸為具有整流特性的肖特基接觸。經(jīng)理論推算得出 Al/Hg<,1-x>Mn<,x>Te肖特基

8、勢壘的高度為0.38eV。試樣的顯微硬度測試表明，品片在磨拋之后，殘留的表面損傷層軟化了晶片表面，因此測得的顯微硬度值偏小。過度腐蝕之后，晶片表面將富集一層Te，對晶體表面起到硬化作用，此時測得的顯微硬度則偏大。只有在腐蝕3分鐘后測得的顯微硬度才比較接近晶片的真實情況。Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶片顯微硬度隨著應(yīng)用載荷的增加逐漸減小，呈典型的ISE現(xiàn)象，對此可以利用 Hays-Kendall理論或者PSR模型使在不同載荷下測得的硬

9、度值得到統(tǒng)一化。Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶片的顯微硬度隨著Mn含量的增加急劇上升，當(dāng)x值從0增大到0.26時，其硬度從26kgf·mm<'-2>增大到了50kgf·mm<'-2>。 采用超導(dǎo)量子磁強計對 Hg<,0.89>Mn<,0.11>Te試樣磁化強度及電阻率隨溫度變化的規(guī)律進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，Hg<,0.89>Mn<,0.11>Te在5K到300K之間是單一的順磁態(tài)。溫度高于40K時，Mn<'2+>離子之間存在弱

10、的反鐵磁相互作用，磁化率與溫度之間滿足居里-萬斯定律。低于40K時，磁化率倒數(shù)向下彎曲，偏離居里-萬斯定律，表現(xiàn)出順磁增強現(xiàn)象。磁場下，Hg<,1-x>Mn<,x>Te晶體電阻率大小主要和晶體內(nèi)形成的霍爾電場及Mn<'2+>離子與帶電子間的sp-d交換作用有關(guān)。霍爾電場的存在導(dǎo)致試樣電阻率升高，而sp-d交換使試樣電阻率減小。在80～200K高溫區(qū)sp-d交換作用較弱，因而磁場下的晶體電阻率呈增大現(xiàn)象。而隨著溫度的降低，sp-d交換作用