CdZnTe单晶表面、界面及位错的研究

摘要

CdZnTe晶体是迄今制造室温X射线及γ射线探测器以及HgCdTe等红外薄膜外延衬底最为理想的半导体材料。尽管对CdZnTe的研究由来已久，但在CdZnTe晶体的表面处理、金属与CdZnTe晶体接触及晶体缺陷行为研究上尚存在诸多难题。 本文主要研究了CdZnTe晶体表面处理工艺，如机械抛光，化学抛光，钝化，及这些工艺对表面质量的影响。深入分析了CdZnTe晶体表面的基本物理性质，如表面的原子结构、电子结构和功函数。进而，采用MBE在CdZnTe衬底上沉积Au和Ag，研究了Au和Ag与CdZnTe之间的界面反应和肖特基接触势垒。此外，采用化学镀金法制备了Au的欧姆电极，研究了欧姆电极的界面结构以及欧姆接触形成的机理。最后，研究了CdZnTe中位错的一些基本性质。 采用机械抛光获得的光亮CdZnTe晶体表面存在一定的损伤层，通过X射线摇摆曲线并结合化学腐蚀，测算出该损伤层的厚度约为13μm。采用Br-MeOH溶液腐蚀可以有效地去除损伤层，但Br-MeOH腐蚀后的晶片表面通常会形成的无定形的富Te层，进一步的化学机械抛光可以去除该富Te层。CdZnTe晶体表面损伤层，会造成较大的表面漏电流和一定的红外吸收。表面富Te层是一个高导电区，它会造成较大的表面漏电流，但基本不影响红外透过率。表面钝化处理可以有效地减少表面漏电流，但是钝化层(氧化层)会吸收红外光，导致红外透过率的下降。与常用的钝化液NH<,4>F+H<,2>O<,2>相比，采用Br<,2>水溶液进行钝化处理可以获得钝化效果更好的TeO<,2>钝化层，而不是通常得到的CdTeO<,3>层。 在超高真空条件下采用Ar离子刻蚀并进行原位退火，获得了清洁有序的CdZnTe单晶表面。采用低能电子衍射(LEED)测量了不同表面的原子结构。在(110)面观察到(110)-(1×1)的原子结构，并通过光电子能谱验证了表面弛豫的存在。在(111)A和(111)B面上分别观察到(111)A-(1×1)和(111)B-(1×1)的完整表面原子结构以及(111)A-(平方根3×平方根3)R30°和(111)B-(2×2)的表面重构。(111)A面的重构是由Cd空位引起的，而(111)B面的重构是Te的顶戴原子形成的。 通过同步辐射角分辨光电子能谱(SRARPES)计算出CdZnTe(110)面的悬挂键密度约为6.9×10<'14>/cm<'2>，即每一个表面原子含一个悬挂键。发生重构的(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态，致使能带向下弯曲。发生重构的(111)B-(2×2)表面Te顶戴原子起着受主的作用，导致价带顶向上弯曲。 采用光电子能谱技术测量CdZnTe不同表面的功函数，结果表明(111)A面的功函数大于(111)B面；吸附气体和Au会增加CdZnTe晶片的功函数：排列整齐有序的表面的功函数要低于存在损伤的表面；(111)A面发生重构后，Cd空位增加，能带向下弯曲，增加了功函数；而(111)B面发生重构时，Te项戴原子吸附在晶体表面，形成表面偶极层，也会增大表面功函数。研究了Au与清洁CdZnTe不同晶面的接触势垒，其中(110)面的接触势垒最大，(111)B面次之，(111)A最小。这是由于(110)面的表面能最低，是一稳定面，难以发生界面反应。(111)A面的Te原子不稳定，容易与Au发生化学反应。通过紫外光电子能谱也证实了Au/CdZnTe(111)A的界面确实发生了界面反应。Ag与清洁CdZnTe存在比较明显的界面反应，导致接触势垒很低，约为0.2eV。而Ag与经化学腐蚀的CdZnTe晶片的接触势垒约为0.67eV，这是由于氧化层和富Te层阻挡了Ag与CdZnTe的反应，从而导致了较高的接触势垒。 CdZnTe(111)A面发生重构后表面Cd空位增加，在沉积Au的过程中，Au会填补这些空位，作为Cd的替换原子与周围的三个Te原子结合。这样将有利于Au的扩散和界面反应的发生，因而会降低接触势垒。另外表面Cd空位引入的缺陷能级也会降低肖特基接触势垒。 Au/CdZnTe(111)B-(2×2)的肖特基势垒低于Au/CdZnTe(111)B-(1×1)面。分析认为这是由于CdZnTe(111)B-(2×2)最外两层原子均是Te原子，Te与Au之间容易发生电子云重叠，形成化学键，即形成合金化的界面层，使富Te面容易形成低的肖特基势垒。对Au/CdZnTe在350℃下退火1小时，可以改善Au膜的有序性，并降低接触势垒约0.15eV。 采用AuCl<,3>水溶液在CdZnTe表面分解制备了Au的欧姆电极，并采用XPS研究了化学镀金法制备的Au/CdZnTe的界面成分分布，确定了CdTeO<,3>界面层的存在。分析了Au层与CdZnTe形成欧姆接触的机理，提出了 CdTeO<,3>界面层导致欧姆接触的新模型，该模型可以解释目前所有的实验结果。 通过塑性变形在CdZnTe晶体分别引入了Cd(g)位错和Te(g)位错。由于位错内的悬键电子会吸收红外光，导致晶片红外透过率下降。变形后的晶片的漏电流显著增大，运用普尔-弗兰克效应解释了实验结果。采用I-V、PL谱和Hall等测量方法研究了位错的电学特性，结果表明，Cd(g)位错在CdZnTe晶体中起受主作用，而Te(g)位错在晶体中起施主作用。Cd(g)位错会会加大对空穴的散射，而导致空穴的迁移率下降，而Te(g)位错会加速空穴的漂移，使空穴的迁移率增加。

目录

文摘

英文文摘

声明

论文的主要创新与贡献

第一章文献综述

1.1引言

1.2 CdZnTe的物理性质和应用

1.2.1 CdZnTe的电学性质

1.2.2 CdZnTe的应用

1.3 CdZnTe表面的研究

1.3.1表面成分以及研究方法

1.3.2表面原子结构及研究方法

1.3.3表面电子结构的研究

1.3.4功函数的研究

1.4 Au/CdZnTe的界面研究

1.4.1 Schottky接触机理

1.4.2 Schottky势垒高度的测量

1.4.3欧姆接触

1.4.4接触电阻的测量

1.4.5界面电荷传输机理

1.5 CdZnTe的缺陷研究

1.6本文的主要研究内容和思路

第二章CdZnTe单晶表面处理与质量表征

2.1表面处理

2.1.1表面的机械抛光

2.1.2化学腐蚀和抛光

2.1.3表面极性的鉴别

2.2表面特性的研究

2.2.1表面损伤层的测定

2.2.2表面成分偏析研究

2.2.3表面漏电流研究

2.2.4表面处理对晶体红外透过率的影响

2.2.5表面处理对光致发光特性的影响

2.3本章小结

第三章CdZnTe表面原子结构、电子结构与功函数

3.1 CdZnTe表面原子结构

3.1.1 CdZnTe(110)面原子结构

3.1.2 CdZnTe(111)A面原子结构

3.1.3 CdZnTe(111)B面原子结构

3.2表面电子结构

3.2.1 CdZnTe(110)面的电子结构

3.2.2 CdZnTe(111)A面电子结构

3.2.3 CdZnTe(111)B面电子结构

3.3 CdZnTe的功函数

3.4本章小结

第四章金属与CdZnTe的界面反应以及肖特基势垒

4.1 Au/CdZnTe肖特基接触的制备以及势垒高度的测量

4.2界面反应对肖特基势垒的影响

4.2.1 Au与CdZnTe的界面反应

4.2.2Ag与CdZnTe的界面反应

4.3表面原子结构对肖特基势垒的影响

4.3.1表面重构对肖特基势垒的影响

4.3.2退火对肖特基势垒的影响

4.4本章小结

第五章Au与CdZnTe欧姆电极的制备与分析

5.1欧姆电极的制备

5.2接触电阻的测量

5.3 AuCl3/CdZnTe欧姆接触的界面分析

5.4欧姆接触的机理分析

5.5本章小结

第六章CdZnTe晶体中位错的研究

6.1 CdZnTe位错蚀坑的形貌

6.2 CdZnTe晶体中位错的引入

6.3位错对晶体红外透过性能的影响

6.4位错对晶体漏电流的影响

6.5位错对晶体载流子特性的影响

6.6位错引入的缺陷能级研究

6.7本章小结

主要结论

参考文献

攻读博士学位期间撰写和发表的论文

致谢