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以大规模、多色、单光子、甚长波等为标志的第三代HgCdTe红外焦平面探测器在2000年后得到了迅速的发展，在军事、遥感、空间科学探测等领域发挥了极其重要的作用。然而，当传统的Hg空位P型材料应用到长波红外探测器时，这类材料存在少子寿命短的问题将导致器件的结阻抗难以提高到应用所需要的水平，这已成为制约碲镉汞红外焦平面探测器发展的技术瓶颈。因此，制备高性能的P型材料成为了非常重要的工艺技术。
非本征P型掺杂材料可以有效克服少子寿命偏低等问题，提高长波和甚长波红外焦平面器件的性能。本课题以P型碲镉汞液相外延材料为研究对象，研究了不同P型掺杂外延材料的结构及电学特性，并实现了P型掺杂材料在长波红外焦平面器件上的验证。论文的主要内容如下:
1.通过不同的生长方法制备了P型掺杂碲镉汞富碲液相外延材料，并对掺杂材料的热处理进行了研究。结果发现对于不同的掺杂材料，退火的氛围、压力及温度是实现P型掺杂的关键参数。针对不同的掺杂原子，采用了不同的热处理方式:①对于利用垂直浸渍液相外延方法生长的Hg空位材料，通过采用HgTe作为退火源实现了Hg空位浓度的调整;②对于As掺杂材料，考虑到掺杂原子的两性行为，对于原位生长的材料采用了Hg饱和气压下400℃退火的工艺对As掺杂原子进行激活，另外通过后续的Hg饱和气压下250℃的N型退火消除材料中存在的Hg空位;③对于利用水平推舟液相外延生长的Au掺杂碲镉汞外延材料，直接采用250℃的N型退火以消除存在的Hg空位。
2.通过红外光谱、X射线双晶衍射(XRD)和EPD统计方法测量了液相外延材料的基本特性，结果表明获得的材料的组分在0.21～0.23，材料外延材料厚度在15μm左右。外延材料的双晶半峰宽(FWHM)在30～40 aresec，而位错密度小于2×105cm-2。
3.利用霍尔测试、二次离子质谱(SIMS)测试和光激发载流子衰退微波检测技术等测试手段研究了材料的电学性质。结果发现高温激活退火会导致As原子在碲镉汞表面的异常富集。通过SIMS测试和双层霍尔参数模型进行理论拟合的结果表明，HgCdTe外延层表面层中的As原子浓度在1016～1018cm-3左右，而材料内部则为均匀分布的低受主浓度(～1015cm-3)As掺杂材料。As掺杂原子的受主能级为7～8 meV，为浅受主掺杂杂质。对于Au掺杂材料的测量和分析表明，Au原子的快扩散特性导致Au在SIMS测试中表现为不均匀分布。利用单受主模型计算所得的Au受主能级较高，这表明经过N型退火后材料中依然存在一定的Hg空位。相对于Hg空位材料来说，As、Au掺杂材料的少子寿命较高。As、Au在碲镉汞中的受主能级较浅，理论计算结果表明辐射及俄歇复合在非本征掺杂碲镉汞材料中已成为主要复合机制。而Hg空位则在碲镉汞材料中引入了SRH复合中心，降低了材料的少子寿命。
4.设计了小容量倾舟法富汞液相外延的设备，并成功生长了富汞液相外延材料。SIMS测试、红外透射光谱拟合及显微镜检测的结果表明在碲锌镉衬底上生长了组分为0.2，厚度为3μm左右的富汞液相外延材料。
5.对P型掺杂碲镉汞材料霍尔特性出现的反常现象进行了理论分析。列举了三类典型的反常霍尔效应。研究结果表明，表面反型层是反常霍尔效应的起源，而表面的氧化或沾污导致了表面反型层的存在。通过采用层模型对实验数据的拟合获得了反型层的表面电荷密度及电子迁移率。采用0.2％的Br甲醇溶液可以消除材料表面存在的反型层，经过腐蚀的材料还原了均匀材料的P型导电性质。利用配比为盐酸(15mL)+硝酸(15mL)+重铬酸钾(2g)的腐蚀溶液可以有效消除碲镉汞的衬底而不损伤碲镉汞外延材料。
6.对各类P型碲镉汞材料制备的碲镉汞器件进行了漏电流测量及机制分析，并分析了不同特性的材料对器件暗电流的影响。结果表明，As及Au掺杂材料由于具有较高的少子寿命，可以有效地降低器件的暗电流。然而，As原子在表面富集的特性会降低器件的性能，在器件制作时必须考虑As掺杂材料表面性质的影响。对不同类型器件R0A参数进行统计分析的结果表明，在截止波长小于10.5μm时，Hg空位器件的R0A参数相比As、Au掺杂型器件要高一些，而随着波长向长波方向的延伸，非本征掺杂型器件在性能上则逐步呈现出其漏电流低的优势。