碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数测定方法及装置

技术领域

本发明涉及高性能长波碲镉汞红外探测器材料领域，特别涉及一种碲镉汞 富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测定方法及装置。

背景技术

传统的n-on-p型HgCdTe红外焦平面探测器的光吸收层采用p型Hg空位 掺杂的HgCdTe材料。Hg空位除了提供p型导电的空穴以外，而且还作为点 缺陷在HgCdTe材料中引入深能级，作为SRH复合中心，通过SRH复合作用 使材料的低温少子寿命大大降低，导致器件量子效率降低。因此，为改进红外 探测器件的灵敏度，近年来人们把研究重点转向了外来杂质的掺杂，代替Hg 空位形成的P型Hg_1-xCd_xTe材料，以提高少子寿命为目的p型掺杂技术的研究 成为碲镉汞材料研究的热点之一。

对于固相-液相的界面，由于杂质在不同相中的溶解度不一样，所以杂质 在界面两边材料中分布的浓度是不同的，这就是所谓杂质的分凝现象，一般用 分凝系数来描述，分凝系数＝(杂质在固相中的溶解度)/(杂质在液相中的溶 解度)。

如何准确获得杂质的分凝系数是控制原位掺杂的关键参数之一，直接关系 到如何精确控制掺杂浓度。Au在HgCdTe富碲液相外延工艺中的分凝系数的 实际数值以及测试方法国内外没有公开报道文献，因此获得Au在HgCdTe富 碲液相外延工艺中的分凝系数是实现Au原位掺杂的关键参数之一。

由于器件结构中碲镉汞薄膜材料的p型掺杂杂质浓度一般在10¹⁵～ 10¹⁶cm^-3之间，考虑到激活率的问题，Au在HgCdTe薄膜材料中的掺杂浓度会 略高于这个浓度，采用浓度测试的常规方法二次离子质谱仪(SIMS)、能谱仪 (EDX)、霍尔测试(Hall)等均没法准确获得材料中实际的浓度，因此如何准 确测试表征出Au在碲镉汞中的实际含量是原位掺杂的关键工艺。

发明内容

为了解决现有技术中不能用于碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数 测定的问题，本发明提供了一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测 定方法及装置，能够保证测试结果的高度准确。

本发明提供一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测定方法，包 括以下步骤：

根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数得到单位体积Au-HgCdTe 母液中Au的含量M3；根据Au-HgCdTe薄膜中规定的Cd的组分及HgCdTe 的相图分别得到Au-HgCdTe母液中Hg、Cd、Te的称取质量M_Hg、M_Cd及M_Te； 计算Au-HgCdTe母液的密度ρ和Au-HgCdTe母液的体积V；根据所述M3和 所述V计算Au-HgCdTe母液中Au的称取质量M_Au；

根据所述M_Au、M_Hg、M_Cd及M_Te分别称量Au、Hg、Cd、Te后进行合成 得到Au-HgCdTe母液；

将所述Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上液相外延形成Au-HgCdTe薄膜， 所述CdZnTe衬底和Au-HgCdTe薄膜共同构成外延材料；

去除所述外延材料中的CdZnTe衬底，得到质量为M1的Au-HgCdTe薄膜；

对所述Au-HgCdTe薄膜进行浓度检测，得到所述Au-HgCdTe薄膜中的 Au的浓度，并根据所述浓度和所述Au-HgCdTe薄膜的质量M1计算单位质量 Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2，根据所述Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述 M2，得到所述单位体积Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M4；

根据所述M3和M4计算碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数K。

本发明还提供了一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测定装 置，包括计算模块、母液模块、液相外延模块、浓度测试模块、分凝系数模块：

所述计算模块，用于根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数得到 单位体积Au-HgCdTe母液中Au的含量M3；根据Au-HgCdTe薄膜中规定的 Cd的组分及HgCdTe的相图分别得到Au-HgCdTe母液中Hg、Cd、Te的称取 质量M_Hg、M_Cd及M_Te；计算Au-HgCdTe母液的密度ρ和Au-HgCdTe母液的 体积V；根据所述M3和所述V计算Au-HgCdTe母液中Au的称取质量M_Au；

所述母液合成模块，用于根据所述M_Au、M_Hg、M_Cd及M_Te分别称量Au、 Hg、Cd、Te后进行合成得到Au-HgCdTe母液；

所述液相外延模块，用于将所述Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上液相外 延形成Au-HgCdTe薄膜，所述CdZnTe衬底和Au-HgCdTe薄膜共同构成外延 材料，去除所述外延材料中的CdZnTe衬底，得到质量为M1的Au-HgCdTe薄 膜；

所述浓度测试模块，用于对所述Au-HgCdTe薄膜进行浓度检测，得到所 述Au-HgCdTe薄膜中的Au的浓度，并根据所述浓度和所述Au-HgCdTe薄膜 的质量M1计算单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2，根据所述 Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述M2，得到所述单位体积Au-HgCdTe薄膜中 Au的含量M4；

所述分凝系数模块，用于根据所述M3和M4计算碲镉汞富碲液相外延金 原位掺杂分凝系数K。

本发明有益效果如下：

本发明通过先假定分凝系数得到单位体积Au-HgCdTe母液中Au的含量， 并进行Au-HgCdTe母液中Au、Hg、Cd、Te含量的计算，随后进行母液合成 和液相外延，最后通过去除衬底获得纯的Au-HgCdTe薄膜，再用ICP-OES测 试Au-HgCdTe薄膜中Au的实际掺杂浓度，最后根据分凝系数的公式，结合单 位体积Au-HgCdTe母液中Au的含量，计算出碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂 分凝系数，解决了现有技术不能用于碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数 测定的问题，能够获得高度准确的测试结果。

附图说明

图1为本发明方法实施例碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测定 方法流程图；

图2为本发明方法实施例Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上液相外延后得 到的外延材料的结构示意图；

图3本发明装置实施例碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测定装 置示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术现有技术中现有技术不能用于碲镉汞富碲液相外延金 原位掺杂分凝系数测定的问题，本发明提供了一种碲镉汞富碲液相外延金原位 掺杂分凝系数的测定方法及装置，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进 一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不限定本发明。

方法实施例

根据本发明的实施例，提供了一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系 数的测定方法，图1是本发明装置实施例的一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺 杂分凝系数的测定方法流程图，如图1所示，根据本发明实施例的碲镉汞富碲 液相外延金原位掺杂分凝系数的测定方法，包括如下处理：

步骤101，根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数得到单位体积 Au-HgCdTe母液中Au的含量M3；根据Au-HgCdTe薄膜中规定的Cd的组分 及HgCdTe的相图分别得到Au-HgCdTe母液中Hg、Cd、Te的称取质量M_Hg、 M_Cd及M_Te；计算Au-HgCdTe母液的密度ρ和Au-HgCdTe母液的体积V；根 据所述M3和所述V计算Au-HgCdTe母液中Au的称取质量M_Au；

根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数得到单位体积Au-HgCdTe 母液中Au的含量M3具体包括以下步骤：

通过公式1，根据Au规定的目标掺杂浓度n，得到规定的单位质量 Au-HgCdTe薄膜中Au的含量A；

A＝n/(6.02×10²³)×Au的相对原子质量公式1；

通过公式2，根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数K1和所述A 得到单位体积Au-HgCdTe母液中Au的含量M3，所述K1的取值范围为1～1 ×10^-5：

M3＝A/K1公式2。

计算Au-HgCdTe母液的密度ρ和Au-HgCdTe母液的体积V具体包括以下 步骤：

根据M_Hg、M_Cd及M_Te得到Hg、Cd、Te的摩尔比，根据Hg、Cd、Te的 摩尔比得到Au-HgCdTe母液的密度；

根据Au-HgCdTe母液的质量M和Au-HgCdTe母液的密度ρ得到 Au-HgCdTe母液的体积V。

Au-HgCdTe母液的质量M一般为50～200g。

根据所述M3和所述V计算Au-HgCdTe母液中Au的称取质量M_Au具体 为，M_Au＝M3V。

步骤102，根据所述M_Au、M_Hg、M_Cd及M_Te分别称量Au、Hg、Cd、Te 后进行合成得到Au-HgCdTe母液。

步骤103，将所述Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上液相外延形成 Au-HgCdTe薄膜，所述CdZnTe衬底和Au-HgCdTe薄膜共同构成外延材料， 去除所述外延材料中的CdZnTe衬底，得到质量为M1的Au-HgCdTe薄膜。其 中，本发明方法实施例Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上液相外延后得到的外 延材料的结构示意图如图2所示。

去除所述外延材料中的CdZnTe衬底，得到质量为M1的Au-HgCdTe薄膜 具体包括以下步骤：

将外延材料在稀盐酸中加热到30～80℃，维持15～60分钟后去除CdZnTe 衬底后得到Au-HgCdTe薄膜，称量所述Au-HgCdTe薄膜，得到Au-HgCdTe 薄膜的质量为M1。优选的，所述稀盐酸优选为40-50％盐酸。

步骤104，对所述Au-HgCdTe薄膜进行浓度检测，得到所述Au-HgCdTe 薄膜中的Au的浓度，并根据所述浓度和所述Au-HgCdTe薄膜的质量M1计算 单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2，根据所述Au-HgCdTe母液的密度 ρ和所述M2，得到所述单位体积Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M4。

根据所述浓度和所述Au-HgCdTe薄膜的质量M1计算单位质量 Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2具体包括以下步骤：

通过公式3，根据Au-HgCdTe薄膜中的Au的浓度和所述Au-HgCdTe薄 膜的质量M1计算单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2，所述Au-HgCdTe 薄膜中的Au的浓度C的单位为百万分之一，ppm；

M2＝Au-HgCdTe薄膜中的Au的浓度/M1公式3；

根据所述Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述M2，得到所述单位体积 Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M4具体包括以下步骤：

通过公式4，根据所述Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述M2，得到所述单 位体积Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M4，

M4＝M2/ρ公式4。

对所述Au-HgCdTe薄膜进行浓度检测具体包括以下步骤：将所述 Au-HgCdTe薄膜进行除酸处理，得到固体样品，将所述固体样品在王水中稀释 后，用电感耦合等离子发射光谱仪ICP-OES进行浓度测试。

更加具体的，对将所述Au-HgCdTe薄膜进行除酸处理包括以下步骤：

将Au-HgCdTe薄膜放入王水中，加热到60～90℃，待Au-HgCdTe薄膜完 全融入王水后，加热至高于100℃，优选为100～120℃，维持20～30分钟。

步骤105，根据所述M3和M4计算碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝 系数K。

具体的通过公式5，根据所述M3和M4计算碲镉汞富碲液相外延金原位 掺杂分凝系数K，

K＝M4/M3公式5。

为了更好的说明本发明装置实施例的一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺 杂分凝系数的测定方法，给出下面的实例1。

实例1：

碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数的测定方法的具体过程如下：

(1)根据规定的Au-HgCdTe薄膜中Au的目标掺杂浓度n，得到规定的 单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量A；A＝n/(6.02×10²³)×197＝3.272425249 n×10^-22g/cm³；

根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数K1和所述A得到单位体 积Au-HgCdTe母液中Au的含量M3，M3＝A/K1＝3.272425249×10^-22n/K1g/cm³； 所述K1为1～1×10^-5中的某一值；

根据Cd的组分及HgCdTe的相图分别得到预定母液中Hg、Cd、Te的称 取质量M_Hg、M_Cd及M_Te；

根据M_Hg、M_Cd及M_Te得到Hg、Cd、Te的摩尔比，根据Hg、Cd、Te的 摩尔比得到Au-HgCdTe母液的密度；根据Au-HgCdTe母液的质量M和 Au-HgCdTe母液的密度ρ得到Au-HgCdTe母液的体积V，根据预定的母液的 重量M，M一般为50～200g，得到母液的体积V＝M/ρ；

根据单位体积母液中Au的含量M3和预定母液的体积V按照公式 M_Au＝M3V得到预定母液中Au的称取质量M_Au，即预定母液中Au的称取质量 为3.272425249×10^-22n/K1×V1。

(2)根据所述M_Au、M_Hg、M_Cd及M_Te分别称取Au、Hg、Cd、Te进行母 液的合成，得到Au-HgCdTe母液。

(3)将已经合成好的Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上进行液相外延， 得到外延材料；由于外延后的Au-HgCdTe薄膜是在CdZnTe衬底上进行的生长， 因此必须去除CdZnTe衬底，剩下Au-HgCdTe薄膜。将外延材料放入到盛有 50％的盐酸的烧杯中，加热到30～80℃，15～60分钟后CdZnTe衬底完全去除。 将反应后剩余的Au-HgCdTe收集到已经称重的容器中，用电子天平再次称重 该容器，减去容器本身的重量即得到了Au-HgCdTe样品的重量为M1克。

(4)将Au-HgCdTe样品放入盛有50ml王水的烧杯中，加热到60-90℃之 间，慢慢等待样品完全融入王水中；再将烧杯加热到高于100℃，进行除酸处 理，经过长时间除酸后样品剩下完全固体状即可，将固体样品在王水中稀释100 倍，用电感耦合等离子发射光谱仪ICP-OES对所述Au-HgCdTe样品进行浓度 检测，得到所述Au-HgCdTe薄膜中的Au的浓度C，并根据所述浓度C和所述 Au-HgCdTe薄膜的质量M1计算单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2＝C/ M1，根据所述Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述M2，得到所述单位体积 Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M4＝M2/ρ；

(5)根据所述M3和M4计算碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数K， K＝M4/M3。

本发明方法实施例主要通过理论计算、衬底去除、化学方法测量薄膜材 料中掺杂的Au的浓度，获得Au在HgCdTe富碲液相外延工艺中的分凝系数， 解决了现有技术不能用于碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系数测定的问 题，能够获得高度准确的测试结果。

装置实施例

根据本发明的实施例，提供了一种碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系 数的测定装置，图3是本发明实施例的碲镉汞富碲液相外延金原位掺杂分凝系 数的测定装置的结构示意图，如图3所示，根据本发明实施例的碲镉汞富碲液 相外延金原位掺杂分凝系数的测定装置包括：计算模块30、母液合成模块32、 液相外延模块34、浓度测试模块36、分凝系数模块38，以下对本发明实施例 的各个模块进行详细的说明。

所述计算模块，用于根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数得到 单位体积Au-HgCdTe母液中Au的含量M3；根据Au-HgCdTe薄膜中规定的 Cd的组分及HgCdTe的相图分别得到Au-HgCdTe母液中Hg、Cd、Te的称取 质量M_Hg、M_Cd及M_Te；计算Au-HgCdTe母液的密度ρ和Au-HgCdTe母液的 体积V；根据所述M3和所述V计算Au-HgCdTe母液中Au的称取质量M_Au； 具体的所述计算模块30包括第一计算子模块和第二计算子模块；

所述第一计算子模块用于通过公式1，根据Au规定的目标掺杂浓度n，得 到规定的单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量A；

A＝n/(6.02×10²³)×Au的相对原子质量公式1；

通过公式2，根据金Au在碲镉汞HgCdTe中的预设分凝系数K1和所述A 得到单位体积Au-HgCdTe母液中Au的含量M3，所述K1的取值范围为1～1 ×10^-5：

M3＝A/K1公式2；

所述第二计算子模块用于根据M_Hg、M_Cd及M_Te得到Hg、Cd、Te的摩尔 比，根据Hg、Cd、Te的摩尔比得到Au-HgCdTe母液的密度；根据Au-HgCdTe 母液的质量M和Au-HgCdTe母液的密度ρ得到Au-HgCdTe母液的体积V。

所述母液合成模块32，用于根据所述M_Au、M_Hg、M_Cd及M_Te分别称量Au、 Hg、Cd、Te后进行合成得到Au-HgCdTe母液。

所述液相外延模块34，用于将所述Au-HgCdTe母液在CdZnTe衬底上液 相外延形成Au-HgCdTe薄膜，所述CdZnTe衬底和Au-HgCdTe薄膜共同构成 外延材料，去除所述外延材料中的CdZnTe衬底，得到质量为M1的Au-HgCdTe 薄膜。

所述浓度测试模块36，用于对所述Au-HgCdTe薄膜进行浓度检测，得到 所述Au-HgCdTe薄膜中的Au的浓度，并根据所述浓度和所述Au-HgCdTe薄 膜的质量M1计算单位质量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2，根据所述 Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述M2，得到所述单位体积Au-HgCdTe薄膜中 Au的含量M4。

具体的，所述浓度测试模块36包括除酸处理子模块和数据处理模块；

所述除酸处理子模块用于，将所述Au-HgCdTe薄膜进行除酸处理，得到 固体样品，将所述固体样品在王水中稀释后，用电感耦合等离子发射光谱仪 ICP-OES进行浓度测试，得到所述Au-HgCdTe薄膜中的Au的浓度；

所述数据处理模块，用于

通过公式3，根据所述浓度和所述Au-HgCdTe薄膜的质量M1计算单位质 量Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M2，

M2＝浓度/M1公式3；

通过公式4，根据所述Au-HgCdTe母液的密度ρ和所述M2，得到所述单 位体积Au-HgCdTe薄膜中Au的含量M4，

M4＝M2/ρ公式4。

所述分凝系数模块38，用于根据所述M3和M4计算碲镉汞富碲液相外延 金原位掺杂分凝系数K。

本发明主要是通过理论计算、衬底去除、化学方法测量薄膜材料中掺杂的 Au的浓度，获得Au在HgCdTe富碲液相外延工艺中的分凝系数。在之后的应 用中如果确定了需要的P型掺杂浓度，则根据分凝系数，可以计算出母液中的 杂质含量，通过母液配料、合成、液相外延、退火等工艺后就能获得目标的P 型掺杂浓度。而且如果为了器件性能的提升，优化P型掺杂浓度，也可以根据 分凝系数，可以计算出母液中的杂质含量，通过后续的工艺，得到目标的掺杂 浓度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及 其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。