Cd（Zn）Te与金属和半导体的界面研究

发布时间：2020-04-07 08:43

【摘要】：Cd(Zn)Te是目前公认最好的室温核辐射探测材料。用CdZnTe晶体制备的探测器对γ射线具有良好的探测性能。而用CdZnTe和CdTe薄膜制备的探测器则具有优异的X射线探测与成像性能,且具有大面积制备和成本低等优势。除材料本身的性质会对探测器具有很大影响外,Cd(Zn)Te与金属电极及半导体衬底的界面特性也是决定探测器性能的关键因素。目前对上述两种界面的研究虽然很多,但对其微观物理本质、界面势垒和探测器电学性能之间的联系机理尚有许多有待澄清的问题。本文首先从工业化角度,利用磁控溅射法在CdZnTe晶体表面分别制备了功函数较高的Au和Ni电极和功函数较低的Cr和Al电极。研究了CdZnTe与以上两类金属的界面接触特性对探测器光电性能的影响。进而利用同步辐射光电子能谱深入分析了Au、Al和Cr金属与CdZnTe的界面反应和接触势垒等机理。此外,研究了CdZnTe薄膜与多晶FTO衬底的界面特性及对探测器电学性能的影响。最后,研究了CdTe薄膜与GaAs衬底的界面,分析了界面扩散和界面层对接触势垒的影响机理。利用射频磁控溅射法在p型CdZnTe晶体表面制备金属电极,分别优化了射频功率、工作气压和沉积温度等溅射参数。发现当射频功率为60 W和80 W时探测器在50 V以上的电压即出现漏电流的显著增加。研究认为是较大的功率造成了CdZnTe的表面缺陷,从而引入隧穿电流所致。工作气压为0.2 Pa和0.3 Pa时探测器在高压下的漏电流急剧增加。沉积温度为723 K时,CdZnTe的体电阻减小,原因是在该温度下Cd挥发导致化学计量比偏离所致。比较了带有Au、Ni、Cr和Al四种电极的CdZnTe探测器在0.01-1000 V下的电学特性。四种探测器的I-V曲线均可分为四个阶段:线性区、亚线性区、二次线性区和超线性区。线性区对应的机理是界面处的肖特基势垒产生的接触电阻小于体电阻。亚线性区对应的是势垒区的宽度小于晶体厚度,电流输运的阻力来自体电阻和载流子在势垒区的扩散。界面层由于具有分压效应,而使得有效势垒降低。二次线性区对应的是势垒区的宽度大于晶体厚度。其机理是电流输运的阻力主要来自载流子在势垒区的扩散及在界面处的发射,此时界面层除了具有分压效应,还对载流子在界面处的发射产生阻力。超线性阶段是指随着电压的增大,界面层的分压导致的势垒降低成为了影响电流输运的主要因素。通过拟合I-V曲线计算了Au/CdZnTe和Ni/CdZnTe界面的肖特基势垒、界面透过系数和界面层势垒降低系数。结果表明,Au/CdZnTe界面的肖特基势垒更高。Ni/CdZnTe界面的对电流的阻碍效应更强,因此在二次线性区Ni/CdZnTe/Ni探测器的漏电流更小。在该区间内对Ni/CdZnTe/Ni探测器~(241)Am放射源的能谱特性更优。在超线性区Ni/CdZnTe界面对势垒的降低效应更大,Ni/CdZnTe/Ni探测器在该电压区间的漏电流更大。通过XPS进行深度成分分析,Au/CdZnTe和Ni/CdZnTe界面层分别为TeO_2和NiTe/TeO_2,厚度分别为8 nm和28 nm。同样的方式计算了Cr/CdZnTe和Al/CdZnTe界面的肖特基势垒高度、界面透过系数和势垒降低系数。四种电极与CdZnTe界面的肖特基势垒高度排序为:AlAuNiCr。高压下对势垒降低效应的强弱排序为:NiCrAuAl。Al/CdZnTe/Al探测器的漏电流最小,对~(137)Cs放射源的能量分辨率为1.45%。通过XPS界面分析得出Cr/CdZnTe和Al/CdZnTe的界面层分别为CrO/Te和TeO_2,厚度分别为16 nm和9 nm。对于电阻率和载流子迁移率寿命积均较高的CdZnTe晶体,可选用Ni和Cr电极。对于电阻率和载流子迁移率寿命积均较低的CdZnTe晶体,可选用Au和Al电极。在超高真空下,利用分子束外延法在原子级洁净的p型CdZnTe晶体表面分别生长了Au、Al和Cr薄膜。采用同步辐射光电子能谱对它们与CdZnTe的界面特性进行了研究。Au和Al与CdZnTe均不发生化学反应,界面处产生能带弯曲。而在Cr沉积初期,Cr与Te发生了化学反应。随着Cr沉积厚度的增加,Cr-Te化学键断裂,Cr与Te以游离态存在于界面处。Te原子发生外扩散并最终扩散至表面,形成了Te(δ~+)指向CdZnTe/Cr(δ~-)的偶极层,其厚度约为23?。CdZnTe/Cr界面的肖特基势垒高度因此由0.82 eV下降至0.48 eV。而表面功函数由5.8 eV下降至5.58 eV。研究了磁控溅射生长的CdZnTe薄膜与FTO衬底的界面对薄膜和探测器相关特性的影响。CdZnTe界面形貌随着氩气压降低逐渐由柱状向片状和细小颗粒状演变。薄膜呈现具有(111)织构的闪锌矿立方结构,FTO衬底的表面粗糙度会减弱薄膜的织构。薄膜中Cd原子的含量始终大于靶材的。薄膜的方块电阻为5.8×10~8 Ohm/sq。制备的薄膜探测器载流子浓度为6.25×10~7/cm~2,迁移率为910 cm~2/(V·s)。探测器的电学均匀性很好,体现出CdZnTe与FTO衬底接触的一致性良好。利用同步辐射光电子能谱研究了CdTe薄膜与GaAs衬底的界面特性。结果表明,在CdTe沉积的过程中,界面处先后发生了As-Te和Ga-Te化学反应。而As-Te反应在界面处产生了偶极矩,造成了Ga的外扩散,并与Te反应形成了厚度为30?的Ga-Te界面偶极层,致使CdTe与GaAs的界面势垒由0.46 eV降低至0.08 eV。Ga-Te界面层的厚度越大,化学键的密度越大,界面接触势垒越低。
【图文】：

晶体结构,三次轴

e 材料的基本物理性质dZnTe晶体为闪锌矿结构，如图个三次轴和六个对称面彼此位移四分之一长度而构成的。溶而成，其中Zn入会使Cd-Te的键长缩短，从而更加稳定。此外，生改变，，这对材料性能和器件性能至关重要因。室温下CdCd ZnEg x Eg xEg nx x学弯曲系数，其值约为CdTe和ZnTe的室温禁带宽度，其值分别为西北工业大学博士学位论文1-1。空间群为_F43m。对称个三次轴和六个对称面。它是由Cd(Zn)和Te原子各自组成的CdZnTe晶体可以认为是由原子在晶格中随机占据了Cd原子的位置。相对Zn的加入也这对材料性能和器件性能至关重要，也是CdZnTe1-xZnxTe的禁带宽度与Zn成分占比x的关系满足 - - x xTe CdTe ZnTe 11 1，其值约为0.23 eV，与晶粒内部的残余应力有关1.45 eV和2.24 eV与晶粒内部的残余应力有关

核辐射探测器,工作原理图

形成最终的能谱。图Fig. 1-2 Schematic diagram of the working principle of对于核辐射探测器来说灵敏度由探测效率决定，即探测器对射线剂量响应的能力，而能量分辨率是指探测器可以区分相近能量光子的能力。除此以外，根据应用领域的不同，还有计数率、时间分辨率、空间分辨率等指标。对于核辐射探测器来说，探测效率取决于光电吸收效率和载流子收集效率，而能量分辨率则取决于载流子的统计涨落、探测器的噪声等。所以成为优异的探测器材料，是因为其（1）原子序数不同的材料原子序数对入射射线的阻挡Z的材料，当材料与入射射线式中，A为常数
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL81;TB383.2

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