Полупроводниковый материал, инфракрасный светоприемный элемент и способ производства полупроводникового материала

Изобретение относится к полупроводниковому материалу, инфракрасному светоприемному элементу и способам производства полупроводникового материала. Предложен полупроводниковый материал, характеризующийся улучшенной противоокислительной стойкостью. Данный полупроводниковый материал включает монокристалл, описывающийся следующей формулой состава: Mg₂Sn⋅Zn_a, в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.) по отношению к Mg₂Sn, и содержащий один или более элементов из B, C, N, Na, Al, Si, P, Ca, Cr, Mn, Fe, Ge, As и Sb с общим содержанием 0,5 ат.% или менее. Технический результат заключается в получении полупроводникового материала, характеризующегося улучшенной противоокислительной стойкостью, и инфракрасного светоприемного элемента с улучшенными эксплуатационными свойствами. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к полупроводниковому материалу, инфракрасному светоприемному элементу и способу производства полупроводникового материала.

Уровень техники

В свете сделанных за недавнее время радикальных технологических инноваций в отношении искусственного интеллекта (ИИ) и тому подобного энергично проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в сфере систем, осуществляющих автоматическое наблюдение и управление, вместо человеческих глаз и рук. В таких системах для автоматического наблюдения и управления на основе различной входной информации, такой как свет, температура и голос, определяется надлежащая ответная операция, так что аппаратное обеспечение детектирования входящих сигналов будет ключевым устройством, играющим важную роль во всей системе. В особенности применительно к детектированию световых входных сигналов можно добиться передового автоматического наблюдения и автоматического управления путем использования устройства, выполняющего функцию человеческих глаз или, в некоторых случаях, способного детектировать информацию в областях, которые не могут восприниматься человеческими глазами.

Примеры устройств, детектирующих световые входные сигналы, включают соответствующие устройства, имеющие элементы, преобразующие световые сигналы в электрические сигналы, которые могут подвергаться электронной обработке. Одним примером такого базового элемента является фотодетектирующий элемент, содержащий полупроводниковый материал.

Фотодетектирующий элемент, содержащий полупроводниковый материал, характеризуется различными диапазонами детектируемых длин волн в зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. В целях обеспечения передового контроля, который может быть использовано для автоматического наблюдения ночью и для автоматического управления автомобилем, в дополнение к информации об излучении в области видимого света и изображений требуется также входная информация в отношении излучения в инфракрасной области. Поэтому имеется сильная потребность в инфракрасных светоприемных элементах и устройствах, способных детектировать входной свет с повышенной чувствительностью в области инфракрасного излучения, и стимулируются активные исследования и разработки с использованием различных полупроводниковых материалов.

В качестве материала, используемого для фотодетектирующих элементов, предлагали кристаллический материал силицида магния (Mg₂Si), представляющий собой полупроводниковое соединение, образованное магнием (Mg) и кремнием (Si), и были получены определенные результаты (источники непатентной литературы 1 и 2).

Перечень процитированной литературы

[Источник непатентной литературы 1] T. Akiyama et al., Proc. Asia-Pacific Conf. Semicond. Silicides Relat. Mater. 2016, JJAP Conf. Proc. Vol. 5, 2017, pp. 011102-1-011102-5

[Источник непатентной литературы 2] K. Daitoku et al., Proc. Int. Conf. Summer School Adv. Silicide Technol. 2014, JJAP Conf. Proc. Vol. 3, 2015, pp. 011103-1-011103-4

Сущность изобретения

Техническая проблема

Обычно для областей инфракрасных светоприемных элементов проводились научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в сфере полупроводниковых материалов, характеризующихся хорошим коэффициентом оптического поглощения. Однако, полупроводниковый материал может вступать в реакцию с воздухом в атмосфере и может окисляться и демонстрировать снижение качества, что приводит к возникновению таких проблем, как ухудшение эксплуатационных свойств устройства.

Настоящее раскрытие нацелено на решение описанных выше технических проблем. Одна из целей настоящего раскрытия заключается в получении полупроводникового материала, характеризующегося улучшенной противоокислительной стойкостью, другая цель заключается в получении инфракрасного светоприемного элемента, содержащего полупроводниковый материал, и еще одна цель заключается в получении способа производства такого полупроводникового материала.

Решение проблемы

Авторы настоящего изобретения исследовали различные соединения в качестве полупроводниковых материалов, которые могут решать вышеупомянутые проблемы, и сконцентрировались на соединении Mg₂Sn, которое, как было общеизвестно, подходит, с учетом его характеристик, для использования в качестве материала элемента для термоэлектрического преобразования. Как было обнаружено авторами изобретения в результате проведенных интенсивных исследований, данный материал также подходит и для использования в качестве материала для инфракрасного светоприемного элемента, и легирование этого материала цинком (Zn) приводит к улучшенной противоокислительной стойкости.

На основании сделанных открытий и идей в настоящем раскрытии предлагаются следующие изобретения:

1) Полупроводниковый материал, включающий монокристалл, описывающийся следующей далее формулой состава:

формула состава: Mg₂Sn⋅Zn_a,

в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.) по отношению к Mg₂Sn.

2) Полупроводниковый материал, соответствующий пункту 1), где а находится в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.) в формуле.

3) Инфракрасный светоприемный элемент, содержащий полупроводниковый материал, соответствующий пункту 1) или 2).

4) Способ производства полупроводникового материала, соответствующего пункту 1) или 2), включающий легирование цинком (Zn) на стадии приготовления материала исходного сырья и/или стадии синтеза.

5) Способ производства полупроводникового материала, соответствующий пункту 4), где в способе осуществляется любое из следующего:

способ прямого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления продукта или более, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтеза для получения продукта; или

способ плавления под давлением в атмосфере инертного газа, заключающийся в нагреве и плавлении материала исходного сырья в находящейся под давлением реакционной емкости, заполненной материалом исходного сырья, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтеза для получения продукта.

6) Способ производства полупроводникового материала, соответствующий пункту 4), где в способе осуществляется способ твердо-жидкого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления Mg₂Sn или меньше, для стимулирования твердо-жидкого синтеза, и охлаждении после синтеза для получения продукта, а затем, необязательно, отжиге продукта.

7) Способ производства полупроводникового материала, соответствующего пункту 1) или 2), где полупроводниковый материал производят с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1)-(5):

(1) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении дисперсного материала исходного сырья, содержащего Mg, Sn и Zn;

(2) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1);

(3) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;

(4) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3), для осаждения монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_a; и

(5) стадия удаления монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_а, осажденного на стадии (4), из реакционной емкости.

Преимущества изобретения

В соответствии с настоящим раскрытием можно получить полупроводниковый материал, характеризующийся улучшенной противоокислительной стойкостью.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой график, демонстрирующий результаты измерения порошковой рентгеновской дифракции в соответствии с Примером в настоящем раскрытии;

фиг. 2 представляет собой график, демонстрирующий результаты измерения с использованием метода СЭМ-ЭДРС в соответствии с Примером в настоящем раскрытии;

фиг. 3 представляет собой график, демонстрирующий результаты термогравиметрического измерения в соответствии с Примером в настоящем раскрытии;

фиг. 4 представляет собой график, демонстрирующий результаты дифференциального термического анализа в соответствии с Примером в настоящем раскрытии; и

фиг. 5 представляет собой график, демонстрирующий результаты оценки коэффициента оптического поглощения и запрещенной энергетической зоны в соответствии с Примером в настоящем раскрытии.

Подробное описание изобретения

Полупроводниковый материал

Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, является полупроводниковым материалом, включающим монокристалл, описывающийся следующей далее формулой состава:

формула состава: Mg₂Sn⋅Zn_a,

в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.) по отношению к Mg₂Sn.

Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, получают путем легирования Mg₂Sn цинком (Zn) для получения целостного монокристалла. То есть, Zn не присутствует на границах зерен Mg₂Sn, но присутствует в состоянии гомогенного твердого раствора в таком кристалле. Это может объясняться замещением Mg легирующим элементом Zn в кристалле. Таким образом, поскольку Mg₂Sn⋅Zn_a представляет собой монокристалл, у него отсутствуют границы кристаллических зерен, и он характеризуется выровненными ориентациями кристалла. Поэтому ему свойственны эффекты, способные обеспечивать точный контроль электрических и оптических свойств кристалла, а также способные обеспечивать точную обработку, такую как резка, полировка и травление. Данный полупроводниковый материал подходит для использования в качестве подложки для инфракрасных светоприемных элементов.

В полупроводниковом материале, соответствующем настоящему раскрытию, а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.) по отношению к Mg₂Sn в формуле состава: Mg₂Sn⋅Zn_a. В случае содержания Zn, меньшего, чем 0,05% (ат.), может не достигаться достаточная противоокислительная стойкость. Кроме того, в случае содержания Zn, большего, чем 1% (ат.), присутствие Zn в состоянии твердого раствора в Mg₂Sn становится затруднительным, что может приводить к проблеме, заключающейся в выделении элемента Zn, не способного образовывать твердый раствор, в виде мелких отложений или к переходу кристалла в поликристаллическую форму. В формуле состава Mg₂Sn⋅Zn_a а более предпочтительно находится в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.).

Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, демонстрирует по существу такую же концентрацию носителей заряда, что и материал, состоящий только из Mg₂Sn, но характеризуется улучшенным коэффициентом оптического поглощения, так что светоприемные эксплуатационные характеристики могут быть улучшены в результате использования такого инфракрасного светоприемного элемента вследствие легирования Mg₂Sn цинком (Zn) в количестве от 0,05 до 1% (ат.). Например, в описанных ниже Примерах в результате легирования 0,5% (ат.) Zn коэффициент оптического поглощения при энергии фотона в области 0,35 эВ увеличился приблизительно в 5 раз.

Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, демонстрирует по существу такую же концентрацию носителей заряда, что и материал, состоящий только из Mg₂Sn, но полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может характеризоваться уменьшенной запрещенной энергетической зоной (Eg) вследствие легирования Mg₂Sn цинком (Zn) в количестве в диапазоне от 0,05 до 1% (ат.). В результате длина волны детектируемого света расширяется и смещается в область больших длин волн, что более полезно при использовании в инфракрасном светоприемном элементе. Например, в описанных ниже Примерах в результате легирования 0,5% (ат.) Zn значение Eg снизилось с 0,25 эВ до 0,21 эВ. При производстве детектора инфракрасного излучения это может обеспечить возможность расширения максимальной детектируемой длины волны (длины волны отсечки) от приблизительно 5 мкм до приблизительно 6 мкм.

Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может быть образован монокристаллом, описывающимся формулой состава: Mg₂Sn⋅Zn_a, или он может содержать неизбежные примеси, примешанные к монокристаллу, описывающемуся формулой Mg₂Sn⋅Zn_a. Неизбежные примеси являются примесями, которые неизбежно примешиваются к материалам исходного сырья и на стадиях производства и включают такие элементы, как B, C, N, Na, Al, Si, P, Ca, Cr, Mn, Fe, Ge, As и Sb в совокупном количестве 0,5% (ат.) или меньше.

Инфракрасный светоприемный элемент

Инфракрасный светоприемный элемент может быть получен с использованием полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию. В инфракрасном светоприемном элементе полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может быть использован, например, в качестве области оптического поглощения р-типа или n-типа, используемой в плоскостных фотодиодах с p-n-переходом, несмотря на то что изобретение не ограничивается только этим. В соответствии с полупроводниковым материалом по настоящему раскрытию можно предложить полупроводниковый материал, характеризующийся улучшенной противоокислительной стойкостью. Кроме того, увеличивается и коэффициент оптического поглощения вблизи от энергии запрещенной полосы, так что может быть увеличена чувствительность при детектировании света. Кроме того, при производстве может быть уменьшена запрещенная энергетическая зона (Eg) вплоть до значения приблизительно 0,21 эВ, что приводит к получению инфракрасного светоприемного элемента, который может расширить принимаемую длину волны отсечки до приблизительно 6 мкм и может детектировать инфракрасное излучение, характеризующееся большей длиной волны. Поэтому производство инфракрасного светоприемного элемента, содержащего полупроводниковый материал по изобретению, может снизить снижение качества различных устройств для детекции и визуализации в области инфракрасного излучения. В соответствии с этим, можно ожидать значительный вклад в технологии, такие как различные области анализа изображений и диагностики изображений, а также использующие их технологии автоматического наблюдения и управления, и в отрасли промышленности, использующие данные технологии.

Способ производства полупроводникового материала

На способ производства полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, никаких конкретных ограничений не накладывается, но предпочтительно могут быть использованы описанные далее способы.

То есть, в способе осуществляется любое из следующего: способ прямого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления продукта или более, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтеза для получения продукта; или способ плавления под давлением в атмосфере инертного газа, заключающийся в нагреве и плавлении материала исходного сырья в находящейся под давлением реакционной емкости, заполненной материалом исходного сырья, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтезирования для получения продукта.

Кроме того, в способе может осуществляться способ твердо-жидкого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления Mg₂Sn или меньше, для стимулирования твердо-жидкого синтеза и охлаждении после синтеза для получения продукта, а затем, необязательно, осуществлении синтеза при плавлении.

Способ производства полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, характеризуется легированием цинком (Zn) на стадии приготовления материала исходного сырья и/или стадии синтеза.

В соответствии с данными способами может быть легко произведен монокристалл полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, с использованием известных способов производства.

Предпочтительно, например, монокристалл полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, может быть получен с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1А)-(5А):

(1А) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении материала исходного сырья, содержащего частицы Mg и частицы Sn или частицы сплава Mg-Sn;

(2А) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в легировании материала исходного сырья, приготовленного на стадии (1А), цинком (Zn) и заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья;

(3А) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции;

(4А) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3А), для осаждения монокристалла; и

(5А) стадия удаления монокристалла, осажденного на стадии (4А), из реакционной емкости.

Zn, используемый для легирования на стадии (2А), может подаваться в виде монометаллического дисперсного материала. Он также может подаваться в виде сплава, такого как MgZn.

Полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, может быть получен с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1В)-(5В):

(1В) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении дисперсного материала исходного сырья, содержащего Mg, Sn и Zn;

(2В) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1В);

(3В) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;

(4В) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3В), для осаждения монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_a; и

(5В) стадия удаления монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_а, осажденного на стадии (4В), из реакционной емкости.

В материалах исходного сырья Mg и Sn, использованных в настоящем изобретении, предпочтительно могут использоваться высокоочищенные и комкообразные частицы, имеющие степень чистоты 4N (99,99%) или более, а более предпочтительно 5N (99,999%) или более, более предпочтительно 6N (99,99999%), и характеризующиеся средним размером частиц в диапазоне от приблизительно 2 до 3 мм. В общем случае Mg и Sn смешиваются таким образом, чтобы совокупность материалов исходного сырья в виде частиц Mg и частиц Sn характеризовалась соотношением элементов 2:1. Кроме того, Zn примешивается таким образом, чтобы атомная концентрация Zn находилась в диапазоне от 0,5 до 10% (ат.) по отношению к Mg₂Sn.

Давление во время нагрева может быть атмосферным, но желательно осуществлять нагрев в газообразном Ar при приблизительно 3 атм. Температура нагрева находится в диапазоне от 770,5°С (температура плавления Mg₂Sn) до 850°С, и, например, термическую обработку осуществляют на протяжении времени приблизительно от 15 минут до 14 часов в совокупности. При температуре, составляющей 770,5°С и более, Mg и Sn расплавляются с образованием расплава Mg-Sn, и Zn гомогенно расплавляется в этом расплаве. В данном случае количество элемента Zn, добавленного к материалу исходного сырья, приблизительно в десять раз превышает целевой уровень содержания Zn, хотя оно и варьируется в зависимости от условий синтеза кристалла, таких как скорость охлаждения. Например, в приведенных ниже Примерах содержание Zn в монокристалле находится в диапазоне, соответственно, от 0,5% (ат.) до 1% (ат.) для случаев, когда Zn добавляется к материалу исходного сырья, характеризующемуся соотношением Mg:Sn = 2:1, в количествах 5% (ат.) и 10% (ат.) при выращивании кристалла при скорости охлаждения 20°С/час.

На охлаждение полученного расплава никаких особенных ограничений не накладывается, и может быть использовано известное устройство для охлаждения, и может быть использован известный способ охлаждения. После синтеза расплав охлаждают для получения монокристалла. Охлаждение может быть естественным охлаждением, принудительным охлаждением или их комбинацией.

Предпочтительно протекание химической реакции между Mg и Sn стимулируется посредством перемешивания, поскольку это может обеспечивать более равномерное производства монокристалла на протяжении короткого периода времени. Перемешивание можно осуществлять с использованием известного устройства для перемешивания и известного способа перемешивания, несмотря на то что никаких конкретных ограничений в этом отношении не накладывается.

Кроме того, способом производства полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, может быть способ производства полупроводникового материала с использованием способа химического осаждения из паровой фазы (способа ХОПФ), включающего следующие далее стадии (1С)-(5С):

(1С) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении Mg, Sn, Zn или поликристаллического материала исходного сырья Mg₂Sn, полученного в результате соответствующего синтеза;

(2С) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1С), совместно с материалом для переноса (Cl, Br, I и тому подобным);

(3С) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;

(4С) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3С), для осаждения монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_a; и

(5С) стадия удаления монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_а, осажденного на стадии (4С), из реакционной емкости.

На стадии синтеза (3С), как описано выше, реакционную емкость располагают в электрической печи, обеспечивающей температурный градиент, и выдерживают при нагреве. В данном случае сторону материала исходного сырья выдерживают при более высокой температуре, а сторону роста кристаллов выдерживают при более низкой температуре, в результате чего материал для переноса и материал исходного сырья могут вступать в реакцию и испаряться в более высокотемпературной части, и вещества материала исходного сырья могут переносятся в более низкотемпературную часть в газовой фазе. В более низкотемпературной части материал исходного сырья в газовой фазе вступает в реакцию и растет в виде кристаллов вследствие перенасыщения. В общем случае температура во время нагрева составляет 770,5°С или менее, что соответствует температуре плавления Mg₂Sn в более высокотемпературной части, но она может и быть больше, чем указанная температура плавления. Более низкотемпературная часть, где растет кристалл, должна поддерживаться при температуре 770,5°С или менее.

Далее, монокристаллическая пленка полупроводникового материала, соответствующего настоящему раскрытию, может использоваться в области оптического поглощения детектора для изготовления детектора инфракрасного излучения. В этом случае монокристаллическая пленка может быть получена с использованием общеизвестной методики осаждения полупроводниковой пленки, такой как способ молекулярно-пучковой эпитаксии (способ МПЭ), способ химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (ХОПФМС) и способ осаждения напылением.

В способе МПЭ в общем случае Mg, Sn и Zn одновременно подают с использованием молекулярного пучка, полученного в результате их выпаривания в вакуумной емкости, и соотношение между компонентами в композиции подбирают для осаждения Mg₂Sn⋅Zn_a на подложке, такой как Mg₂Sn. Во время осаждения подложку обычно нагревают. Температура нагрева в общем случае составляет 100°С или более и равна температуре плавления Mg или менее. В результате нагрева молекулы, осажденные на подложке, вступают в реакцию, что обеспечивает рост монокристаллической пленки из Mg₂Sn⋅Zn_a.

В способе ХОПФМС в общем случае металлоорганические газы, содержащие Mg, Sn и Zn, одновременно подаются в реакционную емкость, и соотношение между компонентами в композиции подбирают для осаждения Mg₂Sn⋅Zn_a на подложке, такой как Mg₂Sn. Во время осаждения подложку обычно нагревают. Температура нагрева в общем случае составляет 100°С или более и равна температуре плавления Mg или менее. В результате нагрева металлоорганические газы вступают в реакцию на подложке, что обеспечивает рост монокристаллической пленки из Mg₂Sn⋅Zn_a.

В способе осаждения напылением, в общем случае, на твердую мишень, содержащую Mg, Sn и Zn, распыляют ионы Ar в реакционной емкости для получения напыляемых молекул, и соотношение между компонентами в композиции подбирают для осаждения Mg₂Sn⋅Zn_a на подложке, такой как Mg₂Sn. Во время осаждения подложку обычно нагревают. Температура нагрева в общем случае составляет 100°С или более и равна температуре плавления Mg или менее. В результате нагрева напыляемые молекулы вступают в реакцию на подложке, что приводит к росту монокристаллической пленки Mg₂Sn⋅Zn_a.

Следует отметить, что описания приведенных выше вариантов осуществления приведены для разъяснения сути настоящего изобретения, и они не предназначены для ограничения объема изобретений, представленных в формуле изобретения. Кроме того, конфигурация каждой части настоящего изобретения не ограничивается указанными выше вариантами осуществления, и в пределах технического объема формулы изобретения возможны различные модификации.

Примеры

Ниже в настоящем документе техническое содержание настоящего раскрытия будет описано конкретно на основании примеров. Следующие далее Примеры являются просто конкретными примерами для облегчения понимания технического содержания настоящего раскрытия, и данные конкретные Примеры не накладывают никаких ограничений на технический объем настоящего изобретения.

Получение полупроводникового материала

В тигле из оксида алюминия (трубке Таммана из оксида алюминия), имеющем внутренний диаметр 12 ммϕ и длину 11 см, располагали частицы Mg со степенью чистоты 4N [комковый материал (средний размер частиц в диапазоне от 2 до 3 мм) от компании RARE METALLIC Co., Ltd.], частицы Sn со степенью чистоты 5N [комковый материал (средний размер частиц в диапазоне от 2 до 3 мм) от компании OSAKA ASAHI METAL MFG CO., LTD.] и цинк [дисперсный материал (размер частиц 1 мм), степень чистоты 99,99999% от компании OSAKA ASAHI METAL MFG CO., LTD.].

После этого тигель запечатывали в кварцевой ампуле с газообразным Ar при 560 торр и располагали в электрической печи (печи с резистивным нагреванием) и нагревали до 780°С (отображаемая температуры) на протяжении 1 часа. После дальнейшего нагревания при той же самой температуре на протяжении 14 часов для расплавления материала температуру электрической печи уменьшали до 300°С со скоростью охлаждения 20°С/час для выращивания кристаллов. После этого печи позволяли остыть естественным образом, и при достижении комнатной температуры тигель удаляли из электрической печи для получения полупроводникового материала, соответствующего Примеру.

Кроме того, с использованием того же способа, что использован в описанном выше Примере, за исключением отсутствия добавления Zn в смеси материалов исходного сырья, получали полупроводниковый материал, соответствующий Сравнительному Примеру.

Композиция полупроводникового материала

Композицию полупроводникового материла, соответствующего Примеру, измеряли с использованием флуоресцентного рентгеновского анализатора. В результате, композиция представляла собой Mg₂Sn⋅Zn_0,5 (то есть, содержание Zn составляло 0,5% (ат.) по отношению к Mg₂Sn). Кроме того, с использованием того же метода измеряли композицию полупроводникового материала, соответствующего другому Примеру. В результате, это оказался материал Mg₂Sn⋅Zn₁ (то есть, содержание Zn составляло 1% (ат.) по отношению к Mg₂Sn).

С другой стороны, с использованием того же самого метода измеряли композицию полупроводникового материла, соответствующего Сравнительному Примеру, и в результате это оказался материал Mg₂Sn.

Измерение порошковой рентгеновской дифракции

Для полученных полупроводниковых материалов измеряли порошковую рентгеновскую дифракцию. В результате, Пример, имеющий формулу состава Mg₂Sn⋅Zn_0,5 (Zn: 0,5% (ат.)) характеризовался наличием пика в положении, подобном соответствующему положению у Сравнительного Примера (нелегированного), описывающегося формулой состава Mg₂Sn, как это показано на фиг. 1. То есть, как было установлено, кристалл из Примера, описывающегося формулой состава Mg₂Sn⋅Zn_0,5, имел единственную фазу, также как в случае Mg₂Sn, и не содержал дисперсии Zn на границах зерен и образовывал монокристалл твердого раствора в виде кристалла. То же самое было обнаружено и для примера, описывающегося формулой состава Mg₂Sn⋅Zn₁.

Наблюдение с использованием метода СЭМ-ЭДРС

Поперечное сечение полученного полупроводникового материала исследовали с использованием метода СЭМ-ЭДРС. В результате, границу зерен Mg₂Sn увидеть не удалось, что означает гомогенный монокристалл, как это показано на фиг. 2. Кроме того, было подтверждено, что никаких мельчайших отложений легирующего Zn не наблюдалось, и Zn находился в гомогенном твердом растворе в Mg₂Sn.

Измерение противоокислительной стойкости

Полученные полупроводниковые материалы нагревали в условиях атмосферного тока со скоростью 300 мл/мин и со скоростью увеличения температуры 10°С/мин от комнатной температуры, используя коммерчески доступное устройство для термогравиметрического-дифференциального термического анализа (ТГ-ДТА), и обнаружили увеличение массы (% мас.) при достижении температуры 700°С. Результаты показаны на фиг. 3. График на фиг. 3 демонстрирует процентную долю увеличения массы (% мас.) по отношению к массе до нагрева. Как можно видеть из графика на фиг. 3, в Примере, описывающемся формулой состава Mg₂Sn⋅Zn_0,5 и легированном цинком (Zn), пороговая температура начала окисления при ТГ увеличивалась со значения приблизительно 420°С до значения приблизительно 450°С, и окисление протекало медленнее по сравнению со Сравнительным Примером, который не был легирован цинком. Это означает, что Пример, легированный цинком (Zn), характеризуется улучшенной противоокислительной стойкостью.

Кроме того, на фиг. 4 продемонстрированы результаты дифференциального термического анализа. Как установлено, исходя из фиг. 4, в Примере, описывающемся формулой состава Mg₂Sn⋅Zn_0,5 и легированном цинком (Zn), температура пика ДТА увеличивалась со значения 442°С до значения 472°С, и данный материал окислялся труднее по сравнению со Сравнительным Примером, который не был легирован цинком. Это означает, что Пример, легированный цинком (Zn), характеризуется улучшенной противоокислительной стойкостью.

Измерение коэффициента оптического поглощения и запрещенной энергетической зоны

Для полученных полупроводниковых материалов измеряли характеристики пропускания и отражения при комнатной температуре с использованием коммерчески доступного устройства ИК-ПФ в целях оценки коэффициента оптического поглощения и запрещенной энергетической зоны. Как показано на фиг. 5, было установлено, что в Примере, описывающемся формулой состава Mg₂Sn⋅Zn_0,5 и легированном цинком (Zn), увеличивается коэффициент оптического поглощения (в частности, коэффициент поглощения при энергии фотона в области 0,35 эВ увеличивается приблизительно в 5 раз), а запрещенная энергетическая зона уменьшается с 0,25 эВ до 0,21 эВ. Это означает увеличение чувствительности при детектировании инфракрасного излучения и расширение детектируемой длины волны, указывая на то, что полупроводниковый материал, соответствующий настоящему раскрытию, подходит для использования инфракрасном светоприемном элементе.

1. Полупроводниковый материал, включающий монокристалл, описывающийся формулой:

Mg₂Sn⋅Zn_a,

в которой а представляет собой содержание Zn в диапазоне от 0,1 до 0,5% (ат.) по отношению к Mg₂Sn, и содержащий один или более элементов из B, C, N, Na, Al, Si, P, Ca, Cr, Mn, Fe, Ge, As и Sb с общим содержанием 0,5 ат.% или менее.

2. Инфракрасный светоприемный элемент, содержащий полупроводниковый материал по п. 1.

3. Способ производства полупроводникового материала по п. 1, включающий легирование цинком (Zn) на стадии приготовления материала исходного сырья и/или стадии синтеза.

4. Способ производства полупроводникового материала по п. 3, где в способе осуществляется любое из следующего:

способ прямого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре равной температуре плавления продукта или более, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтезирования для получения продукта; или

способ плавления под давлением в атмосфере инертного газа, заключающийся в нагреве и плавлении материала исходного сырья в находящейся под давлением реакционной емкости, заполненной материалом исходного сырья, для стимулирования синтеза, а затем охлаждении после синтезирования для получения продукта.

5. Способ производства полупроводникового материала по п. 3, где в способе осуществляют способ твердо-жидкого плавления, заключающийся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, полученным на стадии приготовления материала исходного сырья, нагреве материала исходного сырья при температуре, равной температуре плавления Mg₂Sn или менее, для стимулирования твердо-жидкого синтеза и охлаждении после синтеза для получения продукта, а затем, необязательно, отжиге продукта.

6. Способ производства полупроводникового материала по п. 1, где полупроводниковый материал получают с использованием способа прямого плавления, включающего следующие далее стадии (1)-(5):

(1) стадия приготовления материала исходного сырья, заключающаяся в приготовлении дисперсного материала исходного сырья, содержащего Mg, Sn и Zn;

(2) стадия заполнения материалом исходного сырья, заключающаяся в заполнении реакционной емкости материалом исходного сырья, приготовленным на стадии (1);

(3) стадия синтеза, заключающаяся в нагреве всей реакционной емкости для стимулирования прохождения химической реакции при плавлении;

(4) стадия охлаждения расплава, полученного на стадии (3), для осаждения монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_a; и

(5) стадия удаления монокристалла Mg₂Sn⋅Zn_а, осажденного на стадии (4), из реакционной емкости.