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《西北工业大学》 2007年
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化合物半导体Cd_(1-x)Zn_xTe中的In掺杂及其与Au的接触特性

杨戈  
【摘要】: Cd_(1-x)Zn_xTe晶体具有优异的光电特性,是理想的室温核辐射探测器用材料。尽管对Cd_(1-x)Zn_xTe的研究由来已久,但在高电阻Cd_(1-x)Zn_xTe晶体制备、大直径Cd_(1-x)Zn_xTe晶体生长以及金属与Cd_(1-x)Zn_xTe晶体接触等方面尚存在诸多难题。本文针对这三个问题进行了探索研究。 由于生长过程中组元Cd的挥发,Cd_(1-x)Zn_xTe晶体中容易形成大量的Cd空位等点缺陷。这些电活性点缺陷的存在严重影响了Cd_(1-x)Zn_xTe晶体的光电性能。针对上述问题,本文通过生长掺杂和退火掺杂两种途径,对本征Cd_(1-x)Zn_xTe晶体进行了掺In改性,并通过I-V曲线,红外透过谱以及光致发光谱等手段考察了In的掺入对晶体性能的影响。研究表明,In的生长掺杂和退火掺杂均能够有效提高Cd_(1-x)Zn_xTe晶体的电阻率。通过生长掺杂,其电阻率由3×10~7Ωcm增加至5×10~(10)Ωcm,提高了3个数量级。而经过退火掺杂,Cd_(1-x)Zn_xTe的电阻率由5×10~7Ωcm提高到了3×10~9ΩCm,提高了两个数量级。In的生长掺杂和退火掺杂均降低了Cd_(1-x)Zn_xTe晶体的红外透过率。这是由于,In的引入增加了自由载流子的浓度,使得自由载流子对红外光的吸收加强。In的引入还在总体上增大了品格振动时的电偶极矩,造成品格吸收的加强。这两方面的原因共同导致了红外透过率的降低。生长掺杂并没有导致Cd(1-x)Zn_xTe结晶质量的变化。而退火掺杂后,X射线回摆曲线的半峰宽由125″降低到78″,位错密度由6.2×10~4cm~(-1)下降到1.5×10~4cm~(-1),说明晶体的结晶质量得到提高。PL谱测试表明,生长掺In后,杂质及缺陷复合区由一个微弱的凸起扩展为一个明显的宽大波包,证实了掺杂后缺陷复合体(2In_(Cd)~+-V_(Cd)~(2-))~0的存在。同时,施主-受主对复合对应的DAP峰的强度增加,且出现了声子峰DAP-LO。而掺杂后(A~0,X)激子峰消失,说明Cd空位已经得到有效补偿。退火掺杂后,中性施主束缚激子峰(D~0,X)的半峰宽明显减小,同时在(D~0,X)的高能肩出现了自由激子峰FE,并且施主-受主对复合导致的DAP峰强度也明显高于掺杂前的情况,D_(complex)峰的强度略有提高。 针对Cd_(1-x)Zn_xTe:In的常规表征手段非常复杂,而且测试过程有可能对晶体本身造成损伤。为此,我们通过对大量Cd_(1-x)Zn_xTe:In晶片低温PL谱的分析测试,总结了其特征峰的变化特点,并结合晶体的结构和电学性能,建立起一套简单有效且能从本质上反映晶体质量的无损评价方法。研究发现,对于高质量Cd_(1-x)Zn_xTe:In晶体,近带边区内的主峰为施主束缚激子(D~0,X)发光,并且(D~0,X)的峰形越明锐,质量越好。而在低质量Cd_(1-x)Zn_xTe:In晶体中,近带边区内的主峰通常为受主束缚激子(A~0,X)发光。此外,高质量Cd_(1-x)Zn_xTe:In的PL谱中,一般能区分出自由激子FE发光峰,而对于低质量的Cd_(1-x)Zn_xTe:In,则很难看到这一点。(D~0,X)峰的半峰宽W_(FWHM)与Te沉淀/夹杂密度D_(Te)之间存在着一定的联系,前者随着后者的增加而单调递增。二者之间的关系可以表达为D_(Te)=-3.49×10~4+2.72×10~4W_(FWHM)。D_(complex)峰的相对强度可以反映出位错密度D_d的大小。I_(D_(complex))/I\_(D~0,X)越大,D_d越高。其原因是位错所束缚的激子会产生复合发光,反映在光谱上就表现为D_(complex)峰的增强。而DAP峰和D_(complex)峰的相对强度之差与电阻率具有紧密的对应关系。随着I_(DAP)/I_(D~0,X)-I_(D_(complex))/I_(D~0,X)的增大,晶体的电阻率下降。 采用改进炉体设计和温场分布的垂直布里奇曼晶体生长炉,成功制备出了直径为60mm的大尺寸Cd_(1-x)Zn_xTe:In晶体,并通过比较位错蚀坑密度,X射线回摆曲线,红外透过谱以及光致发光谱等,详细分析了晶锭尺寸变化对于Cd_(1-x)Zn_xTe:In晶体性能的影响。研究表明,当直径为30mm时,其位错密度低,X射线回摆曲线的峰形尖锐,对称性良好,半峰宽窄。而当直径增加到60mm时,其位错密度上升了一个量级,且X射线回摆曲线的峰形钝化,峰侧存在着明显的劈裂,半峰宽亦被宽化。上述变化是由于,晶锭直径的增加引起了温场不均匀性的提高,从而导致生长成的Cd_(1-x)Zn_xTe:In晶锭中产生更大的应力所致。同时,晶锭直径的增加会引起红外透过率的小幅度升高。这是由于,当晶体直径变大时,位错密度会有所增加,有更多的自由载流子被俘获。这就同时引起了自由载流子对于红外光吸收的弱化,从而提高了其红外透过率。当晶体直径增加时,低温PL谱中与位错相关的D_(complex)峰的强度会明显加强,而施主-受主对复合导致的DAP峰强度会有所削弱。 为了改善Au-Cd_(1-x)Zn_xTe:In的电学接触特性,我们采用退火对其进行了处理。研究表明,退火处理能有效降低漏电流,并且漏电流降低的程度随着退火温度的增加而不断提高。200℃下的中低温退火可以有效改善Au-Cd_(1-x)Zn_xTe:In电极的欧姆接触特性,但300℃以上的高温退火则会恶化其欧姆接触特性。Au膜和Cd_(1-x)Zn_xTe:In基体间附着情况的变化是导致这一变化的主因。电极退火对于Au-Cd_(1-x)Zn_xTe:In电极漏电流的稳定性有着明显的影响。退火温度越高,漏电流的稳定性就越强。在300℃退火下得到了最稳定的漏电流。这是由于退火有助于提高Au-Cd_(1-x)Zn_xTe:In界面层中的[Au]~(3+)含量,而[Au]~(3+)的增加导致载流子平均弛豫时间的降低,进而导致漏电流稳定性的提高。退火后与复合体2[Au]~(3+)-3[V_(Cd)]~(2-)相关的D_(complex)峰的强度明显增加,说明Au在退火中能有效地向Cd_(1-x)Zn_xTe:In中扩散形成复合体2[Au]~(3+)-3[V_(Cd)]~(2-)。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304.2

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