CdZnTe單晶表面、界面及位錯(cuò)的研究.pdf

1、CdZnTe晶體是迄今制造室溫X射線(xiàn)及γ射線(xiàn)探測(cè)器以及HgCdTe等紅外薄膜外延襯底最為理想的半導(dǎo)體材料。盡管對(duì)CdZnTe的研究由來(lái)已久，但在CdZnTe晶體的表面處理、金屬與CdZnTe晶體接觸及晶體缺陷行為研究上尚存在諸多難題。 本文主要研究了CdZnTe晶體表面處理工藝，如機(jī)械拋光，化學(xué)拋光，鈍化，及這些工藝對(duì)表面質(zhì)量的影響。深入分析了CdZnTe晶體表面的基本物理性質(zhì)，如表面的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和功函數(shù)。進(jìn)而，采用MB

2、E在CdZnTe襯底上沉積Au和Ag，研究了Au和Ag與CdZnTe之間的界面反應(yīng)和肖特基接觸勢(shì)壘。此外，采用化學(xué)鍍金法制備了Au的歐姆電極，研究了歐姆電極的界面結(jié)構(gòu)以及歐姆接觸形成的機(jī)理。最后，研究了CdZnTe中位錯(cuò)的一些基本性質(zhì)。 采用機(jī)械拋光獲得的光亮CdZnTe晶體表面存在一定的損傷層，通過(guò)X射線(xiàn)搖擺曲線(xiàn)并結(jié)合化學(xué)腐蝕，測(cè)算出該損傷層的厚度約為13μm。采用Br-MeOH溶液腐蝕可以有效地去除損傷層，但Br-MeOH腐

3、蝕后的晶片表面通常會(huì)形成的無(wú)定形的富Te層，進(jìn)一步的化學(xué)機(jī)械拋光可以去除該富Te層。CdZnTe晶體表面損傷層，會(huì)造成較大的表面漏電流和一定的紅外吸收。表面富Te層是一個(gè)高導(dǎo)電區(qū)，它會(huì)造成較大的表面漏電流，但基本不影響紅外透過(guò)率。表面鈍化處理可以有效地減少表面漏電流，但是鈍化層(氧化層)會(huì)吸收紅外光，導(dǎo)致紅外透過(guò)率的下降。與常用的鈍化液NH<,4>F+H<,2>O<,2>相比，采用Br<,2>水溶液進(jìn)行鈍化處理可以獲得鈍化效果更好的Te

4、O<,2>鈍化層，而不是通常得到的CdTeO<,3>層。 在超高真空條件下采用Ar離子刻蝕并進(jìn)行原位退火，獲得了清潔有序的CdZnTe單晶表面。采用低能電子衍射(LEED)測(cè)量了不同表面的原子結(jié)構(gòu)。在(110)面觀察到(110)-(1×1)的原子結(jié)構(gòu)，并通過(guò)光電子能譜驗(yàn)證了表面弛豫的存在。在(111)A和(111)B面上分別觀察到(111)A-(1×1)和(111)B-(1×1)的完整表面原子結(jié)構(gòu)以及(111)A-(平方根3×平

5、方根3)R30°和(111)B-(2×2)的表面重構(gòu)。(111)A面的重構(gòu)是由Cd空位引起的，而(111)B面的重構(gòu)是Te的頂戴原子形成的。 通過(guò)同步輻射角分辨光電子能譜(SRARPES)計(jì)算出CdZnTe(110)面的懸掛鍵密度約為6.9×10<'14>/cm<'2>，即每一個(gè)表面原子含一個(gè)懸掛鍵。發(fā)生重構(gòu)的(111)A-(平方根3×平方根3)R30°表面Cd空位增加，Cd空位引入了施主型的表面態(tài)，致使能帶向下彎曲。發(fā)生重構(gòu)的

6、(111)B-(2×2)表面Te頂戴原子起著受主的作用，導(dǎo)致價(jià)帶頂向上彎曲。 采用光電子能譜技術(shù)測(cè)量CdZnTe不同表面的功函數(shù)，結(jié)果表明(111)A面的功函數(shù)大于(111)B面；吸附氣體和Au會(huì)增加CdZnTe晶片的功函數(shù)：排列整齊有序的表面的功函數(shù)要低于存在損傷的表面；(111)A面發(fā)生重構(gòu)后，Cd空位增加，能帶向下彎曲，增加了功函數(shù)；而(111)B面發(fā)生重構(gòu)時(shí)，Te項(xiàng)戴原子吸附在晶體表面，形成表面偶極層，也會(huì)增大表面功函數(shù)

7、。研究了Au與清潔CdZnTe不同晶面的接觸勢(shì)壘，其中(110)面的接觸勢(shì)壘最大，(111)B面次之，(111)A最小。這是由于(110)面的表面能最低，是一穩(wěn)定面，難以發(fā)生界面反應(yīng)。(111)A面的Te原子不穩(wěn)定，容易與Au發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)紫外光電子能譜也證實(shí)了Au/CdZnTe(111)A的界面確實(shí)發(fā)生了界面反應(yīng)。Ag與清潔CdZnTe存在比較明顯的界面反應(yīng)，導(dǎo)致接觸勢(shì)壘很低，約為0.2eV。而Ag與經(jīng)化學(xué)腐蝕的CdZnTe晶片的

8、接觸勢(shì)壘約為0.67eV，這是由于氧化層和富Te層阻擋了Ag與CdZnTe的反應(yīng)，從而導(dǎo)致了較高的接觸勢(shì)壘。 CdZnTe(111)A面發(fā)生重構(gòu)后表面Cd空位增加，在沉積Au的過(guò)程中，Au會(huì)填補(bǔ)這些空位，作為Cd的替換原子與周?chē)娜齻€(gè)Te原子結(jié)合。這樣將有利于Au的擴(kuò)散和界面反應(yīng)的發(fā)生，因而會(huì)降低接觸勢(shì)壘。另外表面Cd空位引入的缺陷能級(jí)也會(huì)降低肖特基接觸勢(shì)壘。 Au/CdZnTe(111)B-(2×2)的肖特基勢(shì)壘低于A

9、u/CdZnTe(111)B-(1×1)面。分析認(rèn)為這是由于CdZnTe(111)B-(2×2)最外兩層原子均是Te原子，Te與Au之間容易發(fā)生電子云重疊，形成化學(xué)鍵，即形成合金化的界面層，使富Te面容易形成低的肖特基勢(shì)壘。對(duì)Au/CdZnTe在350℃下退火1小時(shí)，可以改善Au膜的有序性，并降低接觸勢(shì)壘約0.15eV。 采用AuCl<,3>水溶液在CdZnTe表面分解制備了Au的歐姆電極，并采用XPS研究了化學(xué)鍍金法制備的Au

10、/CdZnTe的界面成分分布，確定了CdTeO<,3>界面層的存在。分析了Au層與CdZnTe形成歐姆接觸的機(jī)理，提出了 CdTeO<,3>界面層導(dǎo)致歐姆接觸的新模型，該模型可以解釋目前所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 通過(guò)塑性變形在CdZnTe晶體分別引入了Cd(g)位錯(cuò)和Te(g)位錯(cuò)。由于位錯(cuò)內(nèi)的懸鍵電子會(huì)吸收紅外光，導(dǎo)致晶片紅外透過(guò)率下降。變形后的晶片的漏電流顯著增大，運(yùn)用普爾-弗蘭克效應(yīng)解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。采用I-V、PL譜和Hall等測(cè)