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碲锌镉晶体表面处理、金属电极接触特性及其In掺杂行为

作　者: 李强
导　师: 介万奇
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Cd1-xZnxTe X射线和γ射线探测器 缺陷 电阻率 光致发光谱 金属-半导体接触 退火 掺杂行为
分类号: O611.3
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


Cd1-xZnxTe（CZT）晶体具有优异的光电性能，是迄今制造室温X射线及γ射线探测器最为理想的半导体材料。尽管对CZT的研究由来已久，但在CZT晶体的表面处理、金属与CdZnTe晶体接触及In掺杂特性研究上尚存在诸多难题，本文对之进行了探索。CZT晶体钝化工艺主要是为了减小晶体表面富Te层的电导，减小表面漏电流，提高CZT探测器的性能。钝化可以是物理或者化学过程，可以给晶体表面提供与外界成化学和电学惰性的绝缘层。处理的方法主要有：（1）在晶体表面沉积绝缘物质（ZnS和SiO2）；（2）在晶体表面制备本征薄膜层（氧化物、硫化物以及氟化物）；（3）原位生长宽禁带的Ⅱ-Ⅵ化合物异质结。用NH4／H2O2对CZT晶体钝化，表面主要生成了TeO2。钝化后（[Cd]+[Zn]）／[Te]原子比接近于1，表明钝化后表面更接近CZT的标准化学计量配比，而且改善了晶体近表面区的晶体结构，同时钝化后明显新增了O的含量。光致发光（PL）特性研究结果表明，钝化不仅减小了晶体表面的陷阱态密度，而且减小了与Cd空位复合的深能级杂质浓度。用Agilent 4339B高阻仪进行了CZT晶片I-V特性测试以及Agilent 4294A高精度阻抗分析仪进行了CZT晶片的C-V特性研究，结果表明钝化均能不同程度提高Au／CZT接触的势垒高度，减小漏电流。主要原因是在Au／CZT表面钝化生成的TeO2氧化层增加了接触势垒高度，并减小了电荷因隧道效应而穿过氧化层TeO2的几率。采用同步辐射X射线光电子能谱分析结果计算了Au／CZT接触的势垒高度，腐蚀和钝化处理后Au／CZT接触的Schottky势垒高度分别是0.88±0.02 eV和1.17±0.02 eV。根据I-V测试结果计算出钝化前后的Schottky势垒高度分别是0.85±0.02 eV和0.96±0.02eV。用C-V方法测试出钝化前后Schottky势垒高度分别是1.39±0.02 eV和1.51±0.02 eV。研究了溅射沉积不同金属与CZT晶体接触的电学性能。I-V测试和扫描电子显微镜（SEM）分析结果表明，Au是与CZT晶体最适合的电学接触材料，可以与高阻CZT晶体形成近乎理想的欧姆接触，而与低阻CZT晶体形成了0.95±0.02 eV的Schottky接触势垒。X射线光电子能谱分析，形成欧姆接触的原因主要是由于Au原子在退火的时候扩散进入高阻CZT晶体中，同时Cd与Te原子扩散进入Au接触层。扩散的Au未与CZT晶体中的任何元素形成化合物，而是形成了重掺杂层以及欧姆接触。光致发光谱分析结果表明，互扩散的施主[Au]3+与受主[VCd]2-在溅射过程中进行了复合。同时，Au接触的施主复合体峰(Dcomplex)强度明显强于无Au接触的CZT晶体复合体峰的强度，施主[Au]3+和[Au3+·VCd2-]+可以与[VCd]2-空位进行复合并产生不同的缺陷复合体。对In掺杂CZT晶体特性通过10 K下的光致发光能谱（PL）和室温下的红外透过率能谱来进行了分析研究。分析结果表明，In原子代替Cd空位[VCd]2-，形成了电离施主[InCd]+，以及单负性缺陷复合体A-中心[InCd+·VCd2-]-和中性缺陷复合体[2InCd+·VCd2-]0和[InCd+·(InCd+·VCd2-)-]0。根据高阻In掺杂CZT晶体位于1.6014eV的浅能级施主—受主对峰（DAP）位置，得出位于EDS=13.3 meV的浅施主能级[InCd]+和位于EAS=29.5 meV的浅受主能级[VCd-InCd]-。同时根据CdZnTe：In晶体的10 K～60 K的PL温度依存关系，得出电离能分别为65.5 meV的深施主能级[TeCd]4+和87.4 meV的深受主能级[VCd]2-。用傅立叶变换红外能谱仪（FT-IR）测试了掺杂CZT与未掺杂CZT晶体的红外透过率。未掺杂的CZT晶体红外透过率为58％。掺杂In分别为10ppm、15ppm和30ppm时，CZT晶体红外透过率平均值分别为37％、21％和4％。CZT晶体的红外吸收机理可以归结于晶体的晶格吸收与自由载流子吸收。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
论文的主要创新与贡献  9-10
目录  10-13
第一章 文献综述  13-45
  1.1 引言  13-15
  1.2 Cd_(1-x)Zn_xTe晶体的制备  15-17
    1.2.1 传统Bridgman法  15
    1.2.2 高压以及其他Bridgman法  15-17
  1.3 CZT探测器的发展和应用  17-23
    1.3.1 CZT探测器的类型  18-21
    1.3.2 CZT探测器的应用  21-23
  1.4 CZT晶体的电学性能  23-28
    1.4.1 CZT晶体的电阻率  23-25
    1.4.2 CZT晶体载流子的输运特性  25-26
    1.4.3 CZT晶体的导电类型  26-28
  1.5 CZT晶体的光学性能  28-31
    1.5.1 光致发光特性  28-30
    1.5.2 红外特性  30-31
  1.6 CZT晶体的表面处理、金属接触以及掺杂行为  31-36
    1.6.1 CZT表面钝化  31-32
    1.6.2 CZT晶体与金属接触特性  32-35
    1.6.3 In掺杂行为  35-36
  1.7 本文的研究内容  36-37
  本章参考文献  37-45
第二章 CZT晶体的表面态与表面处理  45-60
  2.1 CZT晶体的钝化原理和工艺  45-47
  2.2 CZT晶体表面态研究  47-52
    2.2.1 采用角分辨光电子谱研究CZT晶体表面态  47
    2.2.2 同步辐射X射线光电子能谱(SXPS)研究CZT晶体表面钝化  47-49
    2.2.3 XPS能谱研究CZT钝化表面  49-51
    2.2.4 光致发光(PL)谱研究CZT晶体表面钝化  51-52
  2.3 CZT晶体钝化前后的能带图和空穴输运途径图  52-54
  2.4 同步辐射X射线光电子能谱计算Au/CZT接触的势垒高度  54-57
  2.5 本章小结  57
  本章参考文献  57-60
第三章 CZT晶体的I-V和C-V电学特性  60-73
  3.1 Au与CZT晶体接触的电学特性  60-67
    3.1.1 Au/CZT晶体接触的电流-电压(I-V)特性  60-63
    3.1.2 Au/CZT晶体接触的电压-电容(C-V)特性  63-67
  3.2 耗尽层宽度以及应用电场的计算  67-69
  3.3 三种计算接触势垒高度比较  69-70
  3.4 本章小结  70
  本章参考文献  70-73
第四章 金属-CZT晶体接触电学特性与退火的影响  73-86
  4.1 生长态的CZT晶体退火处理  73-75
  4.2 不同金属与CZT晶体的接触特性  75-80
  4.3 Au沉积CZT晶体表面的PL谱  80
  4.4 高阻CZT晶体与Au接触的XPS分析  80-81
  4.5 Au与CZT晶体接触的退火行为  81-84
  4.6 本章小结  84
  本章参考文献  84-86
第五章 锢(In)掺杂对CZT晶体性能的影响  86-101
  5.1 In掺杂CZT晶体的PL谱分析  86-91
    5.1.1 In掺杂CZT晶体的能级计算  87-89
    5.1.2 PL谱与温度的依赖关系  89-91
  5.2 不同掺杂量的CZT:In晶体PL谱  91-95
  5.3 CZT:In晶体的红外透过特性  95-97
  5.4 CZT:In晶体的电学性能  97-98
  5.5 本章小结  98-99
  本章参考文献  99-101
第六章 CZT探测器的试制  101-112
  6.1 CZT辐射探测器工作原理  101-103
  6.2 CZT探测器的信号和提高其性能的方法  103-106
  6.3 CZT探测器的制作工艺  106-108
    6.3.1 晶片的切割与抛光  106
    6.3.2 腐蚀与钝化  106-107
    6.3.3 电极制作  107
    6.3.4 光刻  107
    6.3.5 封装  107-108
  6.4 CZT探测器的能谱测试  108-109
  6.5 像素CZT探测器的初探  109-111
  6.6 本章小结  111
  本章参考文献  111-112
主要结论  112-114
攻读博士学位期间发表的学术论文  114-117
致谢  117-118

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 化学元素与无机化合物 > 性质
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