CdZnTe晶片表面化学处理及欧姆接触特性的研究

论文摘要

本论文对机械抛光的CdZnTe晶片表面化学抛光、化学钝化及接触电极制备原理与方法进行了研究。通过对比实验发现，用2％Br-MeOH对CdZnTe晶片表面进行化学抛光，腐蚀速率平稳且易于控制，能获得光亮平整表面。采用2％Br-MeOH腐蚀后，CdZnTe的（111）Cd极性表面因沉积一层薄的多晶Te而变成富Te的非极性表面。PL谱分析发现，腐蚀后的CdZnTe晶片表面的深能级缺陷消除，表面杂质和缺陷态密度降低，表面晶格的完整性增强。与机械抛光的CdZnTe晶片相比，经2％Br-MeOH腐蚀过的CdZnTe晶片表面可与Au形成更好的欧姆接触，其ohmicity值可以达到0.991以上。但是经Br-MeOH腐蚀过的表面富Te会使表面漏电流增加3～4个数量级。随着在大气中放置时间的延长，表面漏电流又逐渐下降，并在两个星期后趋于稳定，但仍比未腐蚀前高2～3个数量级。这是富Te表面在大气中不完全氧化的结果，此时表面的Te4+／Te0比为0.668。这种不完全氧化的主要原因是活性表面对大气中其它杂质吸附的结果。为了保持良好的欧姆接触，Br-MeOH腐蚀后应迅速镀电极，并在0.5h内对未镀电极表面进行钝化。钝化研究发现，与机械抛光的CdZnTe晶片相比，15wt％KOH、15wt％H2O2、10wt％NH4F／10wt％H2O2、先15wt％KOH后15wt％H2O2、15wt％KOH／15wt％H2O2五种钝化剂均可将表面漏电流降低1～2个数量级。与Br-MeOH腐蚀过的表面相比，表面漏电流降低4～6个数量级，并且能保持Br-MeOH腐蚀的CdZnTe晶片与Au良好的欧姆接触。XPS分析发现，在NH4F／H2O2或H2O2等弱酸性钝化体系中钝化后的表面富Te，而在KOH或KOH／H2O2等碱性钝化体系中钝化后的表面富Cd。通过在碱性溶液中生成TeO32-是去除CdZnTe晶片表面富集Te最有效的手段，而通过在弱酸性溶液中生成气相TeF6是去除表面富集Te次有效的手段。与其它四种钝化剂相比，在NH4F／H2O2钝化体系中，CdZnTe晶片表面能得到最有效的钝化，表面漏电流最小，表面富集的Te全部氧化成TeO2，形成了最厚的氧化膜。而且表面Cd／Zn╱Te的原子比为0.884／0.050／1，最接近Cd0.9Zn0.1Te晶片的化学计量配比Cd／Te／Zn=0.9／1／0.1。AFM分析发现，经NH4F／H2O2钝化后的晶片表面的平均粗糙度进一步降低，表面变得更平整光滑。PL谱分析发现，NH4F／H2O2钝化可进一步减少表面较深能级的缺陷和杂质，使缺陷、杂质能级变浅。机械抛光、Br-MeOH腐蚀和随后的NH4F／H2O2钝化后的三种表面均在价带上0.113eV左右处有一个受主能级，此能级是VCd的电离引起的。XPS分析还发现，机械抛光的CdZnTe（111）A、B两面分别富Cd和富Te，而Br-MeOH腐蚀和NH4F／H2O2钝化的两面均富Te，这是反应产生的Te沉积引起的。NH4F／H2O2钝化可去除表面沉积的Te，且钝化表面比Br-MeOH腐蚀过的表面更接近CdZnTe的化学计量配比。Ⅰ-Ⅴ测试发现，Br-MeOH腐蚀有助于提高CdZnTe的临界场强，可使未掺杂p型Cd0.9Zn0.1Te晶片的临界场强66.7V／cm提高到333V／cm。退火研究发现，Au在200℃下时能在CdZnTe晶体中显著扩散。退火20min可降低Au／p-CdZnTe的接触势垒，得到快速有效的欧姆接触。另外，60℃下退火2h也能获得欧姆特性良好的Au／p-CdZnTe接触。在退火过程中，Au大量向CdZnTe近表面区扩散，且不与CdZnTe中的元素形成任何稳定化合物。同时，Cd和Te也向Au层微弱扩散，且Cd比Te扩散快。对于Au／p-CdZnTe接触，在退火过程中Au作为受主对p-CdZnTe的近表面区进行p型重掺杂，适当的退火可形成M-p+-p型欧姆接触。对于Au／n-CdZnTe接触，在退火过程中Au作为受主对n-CdZnTe的近表面区进行补偿，适当的退火可形成高密度的复合中心而获得欧姆接触。Au在未掺杂的p-CdZnTe晶体中主要以较慢的替位式扩散，大部分Au作为受主占据VCd形成[AuCd-]。而在掺In的n-CdZnTe中Au主要以较快的间隙式扩散，大部分Au以[InCd+-Au-]复合体的形式存在。Au／TeO2／p-CdZnTe（111）B型结构的接触势垒为0.75eV，经100℃退火1h后降低到0.68eV：而Au／TeO2／n-CdZnTe（111）B型结构的接触势垒为0.85eV。200℃下退火20min或100℃下退火1h，Au均没有与CdZnTe中的任何元素形成新的稳定化合物。另外，CdZnTe的（531）面可以作为制作器件的备选面。UV分析发现，Cd0.9Zn0.1Te晶体在303K下的光学带隙Eg为1.492eV，并且CdZnTe的Eg与晶体取向和表面状态无关。TG-DTG分析发现，Cd0.9Zn0.1Te从200℃开始失重，在484.82℃处达到最大失重，为2.2％。并从655℃开始氧化速率迅速变大，在698.82℃处氧化速率达到最大，在748.82℃处增重达到最大，为13.7％。高于748.82℃后，由于TeO2、CdO和CdTe的挥发而有明显失重。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文的主要创新与贡献
• 第一章 文献综述
• 1.1 CdZnTe晶体研究进展
• 1.2 CdZnTe晶片表面化学处理研究进展
• 1.2.1 半导体用腐蚀液的组成
• 1.2.2 CdZnTe晶片表面极性鉴别及位错分析
• 1.2.3 CdZnTe晶片表面化学抛光
• 1.2.4 CdZnTe晶片表面钝化
• 1.3 半导体晶体的表面
• 1.3.1 半导体表面原子排列
• 1.3.2 半导体表面偏析
• 1.3.3 CdZnTe晶面特征
• 1.3.4 半导体表面损伤层研究
• 1.3.5 半导体表面分析技术
• 1.3.6 CdZnTe晶片表面态研究
• 1.4 CdZnTe欧姆接触电极制备研究进展
• 1.4.1 金属-半导体接触理论及电流输运机制
• 1.4.2 金属-半导体欧姆接触
• 1.4.3 CdZnTe欧姆接触电极制备
• 1.4.4 CdZnTe欧姆接触电极的后处理
• 1.5 CdZnTe探测器的电荷输运及电极改进
• 1.6 CdZnTe晶体的能带结构
• 1.6.1 CdZnTe晶体的禁带宽度
• 1.6.2 CdZnTe晶体的缺陷能级
• 1.7 本论文研究内容及方法
• 参考文献
• 第二章 CdZnTe晶片表面化学抛光研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 CdZnTe晶片准备
• 2.2.2 化学抛光处理
• 2.2.3 表面分析
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 不同抛光液腐蚀前后的表面形貌和粗糙度分析
• 2.3.2 不同浓度Br-MeOH的腐蚀速率研究
• 2.3.3 Br-MeOH腐蚀前后CdZnTe（111）A面的组成分析
• 2.3.4 Br-MeOH腐蚀前后的PL谱分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 CdZnTe晶片表面化学钝化研究
• 3.1 引言
• 3.2 钝化剂的选择研究
• 3.3 Br-MeOH腐蚀后的室温大气下的自钝化研究
• 3.4 不同钝化剂钝化效果对比研究
• 3.4.1 CdZnTe晶片准备
• 3.4.2 表面钝化及电极合金化
• 3.4.3 性能测试
• 3.4.4 结果与讨论
• 4F/H₂O₂钝化效果的进一步研究'>3.5 NH₄F/H₂O₂钝化效果的进一步研究
• 4F/H₂O₂钝化前后的表面组成和形貌分析'>3.5.1 NH₄F/H₂O₂钝化前后的表面组成和形貌分析
• 4F/H₂O₂钝化前后的PL谱分析'>3.5.2 NH₄F/H₂O₂钝化前后的PL谱分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 CdZnTe表面欧姆电极的制备研究
• 4.1 CdZnTe表面欧姆电极的制备工艺探讨
• 4.1.1 表面电极材料的选择
• 4.1.2 表面化学抛光与钝化工艺
• 4.1.3 表面电极的制备与保护
• 4.1.4 表面电极的合金化处理
• 4.1.5 Au/CdZnTe欧姆电极的制作工艺流程
• 4.2 Au/CdZnTe接触在大气气氛中的低温退火研究
• 4.2.1 CdZnTe晶片准备
• 4.2.2 电极制备及退火处理
• 4.2.3 性能测试
• 4.2.4 结果与讨论
• 4.3 Au/CdZnTe接触在大气气氛中的分段退火研究
• 4.4 Au/CdZnTe接触在大气气氛中的中温退火研究
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 不同晶向CdZnTe的表面态和界面态研究
• 5.1 化学处理前后CdZnTe（111）A面和（111）B面组成对比分析
• 2/CdZnTe（111）B界面接触势垒研究'>5.2 Au/TeO₂/CdZnTe（111）B界面接触势垒研究
• 5.3 Au与CdZnTe的界面结构研究
• 5.4 CdZnTe其它晶面的研究
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 CdZnTe晶体的其它特性研究
• 6.1 CdZnTe晶体的临界场强
• 6.2 CdZnTe晶体的光学带隙研究
• 6.3 CdZnTe晶体的TG研究
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢