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Cd_(1-x)Zn_xTe晶体的缺陷研究及退火改性

李宇杰  
【摘要】: Cd_(1-x)Zn_xTe晶体具有十分优异的光、电性能,既可作为外延HgCdTe的衬底,又可用来制作X射线及γ射线探测器、太阳能电池等多种光电转换器件,是一种非常重要的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料。对以外延衬底为应用背景的Cd_(1-x)Zn_xTe(x=0.04)晶体而言,要制备大体积、高性能、成分和结构都十分均匀的体单晶非常困难,晶内常常存在点缺陷、位错、Te沉淀和Te夹杂等各种缺陷,严重影响晶体的光电性能。为了提高晶体性能、减少或消除晶体缺陷,尤其是Te沉淀和Te夹杂,必须将Cd_(1-x)Zn_xTe晶体在一定的温度和气氛条件下进行退火处理。本文的主要内容就是研究退火过程中Cd_(1-x)Zn_xTe晶体内富Te相的形态、大小的变化及其对晶体光、电性能的影响,并通过缺陷化学计算,结合实际的退火实验,制定相应的退火工艺,改善晶体性能。 本文运用缺陷物理和伪化学平衡理论建立了CdTe晶体中的点缺陷模型,其中考虑了各种可能存在的本征单点缺陷,包括中性、一级电离和二级电离状态的Cd间隙原子Cd_i、Cd空位V_(Cd)、Te间隙原子Te_i、Te空位V_(Te)、Te反位原子Te_(Cd)和Cd反位原子Cd_(Te)。利用本文建立的模型计算了相关伪化学平衡反应的反应焓、反应熵及平衡常数,得到了不同温度下晶内自由载流子浓度和各种点缺陷浓度与外界Cd压的关系,并由此得出晶体本征退火的具体参数和条件。计算结果表明,富Cd的CdTe晶体内,多余Cd原子缺陷主要以Cd间隙原子的形式存在。富Te的CdTe晶体中,高温下,晶内多余Te形成的原子缺陷主要是Cd空位。低温下,则晶内Te反位原子、Te间隙原子和Cd空位的浓度都很高。 把二元化合物CdTe的点缺陷模型加以推广,建立了三元化合物Cd_(1-x)Zn_xTe的点缺陷模型。将(Cd,Zn)Te视为替代型晶格点阵,独立地考察其中CdTe和ZnTe的伪化学平衡。同时,通过统一的空位、反位原子及阴离子间隙原子浓度来反映整体晶格环境的影响。根据计算结果,确定了不同气氛条件下Cd_(1-x)Zn_xTe(x=0.05)晶体中占主要地位的点缺陷和相关伪化学反应式的反应焓、反应熵及平衡常数,给出了两温区本征退火的具体参数。计算结果表明,温度接近熔点时,富Cd的Cd_(1-x)Zn_xTe(x=0.05)晶体内多余Cd形成的原子缺陷主要表现为中性和电离的间隙原子及中性的Te空位。温度低于1300K时,多余Cd形成的原子缺陷则主要是电离的Cd间隙原子。富Te的Cd_(1-x)Zn_xTe(x=0.05)晶体中多余Te主要以Cd 李宇杰西北工业大学博士学位论文 空位的形式存在。极度富Te条件下,Te反位原子也是占主要地位的多余Te原 子缺陷。 本实验采用加入加速柑祸旋转技术的Bridgman法,生长了两种不同尺寸的 Cdl_xZnxTe(起始组分为x=0.04)晶锭。通过观察生长态晶体中的微观组织形貌, 并测量晶体轴向和径向上不同位置处的成分、红外透过率和X射线回摆曲线, 发现晶内有较长的单晶段和轴向成分稳定区。除选晶段外,晶锭其他部分径向成 分均匀性较好。但晶内局部存在有富Te相和浓度较高的点缺陷,位错密度也很 高。 在这种情况下,确定退火条件时不仅要考虑气一固平衡,还必须充分考虑气- 液一固三相平衡条件。本文通过仔细分析Cd.Te二元相图和Cd卜龙ZnxTe(x=0.04) 的P一T相图,认为为了去除富Te相,获得稳定的电学性能,退火时晶片温度应 小于115oK,气氛环境的总压力应小于Pcs(对CdTe,Pc汹.2atm),最好小于Pmin (对CdTe,P‘汹.17atm)。同时必须保证退火时 Cd、Zn和Te的压力都处于固- 气平衡范围内。点缺陷计算得到的两温区本征退火条件均满足去除富Te相退火 的要求。结合生长态晶体性能和计算得到的本征退火条件,分别设计了高温饱和 Zn压退火、低温饱和Zn压退火、高温低Zn压退火、低温低zn压退火、高Cd 压退火和单温区浸没式退火六种退火工艺,并通过对比退火前后晶体的成分、微 观组织、晶体结构、光学和电学性能,考察了退火工艺参数对退火晶体性能的影 响。 选用合适的选择性腐蚀液有效地显示了Cd卜龙ZnxTe晶体内的各种微观组织, 如大尺寸的富Te相(1娜)、层错、孪晶、亚晶界和位错等,并测定了位错密 度。在观察微观组织的同时,结合成分测量的结果,考察了大尺寸富Te相(主 要是Te夹杂)在退火过程中的变化及消除机理,发现在饱和Zn压、高温低Zn 压和单温区浸没式退火过程中,大尺寸富Te相主要通过热迁移向晶体表面聚集, 使晶内应力升高,位错密度增加。在发生热迁移的富Te液滴后沿重新析出的 Cd卜笼ZnxTe容易形成毛1 11}面的层错。饱和Zn压退火或浸没式退火后,晶体表面 还要形成Zn和Te含量很高的表面层。表面层和层错的出现及位错密度的增加 都是造成晶体结晶质量下降,包括表面损伤的主要原因。 尺寸小于1娜的Te沉淀和晶内点缺陷的分布、变化情况不能用腐蚀法显示, 本文通过分析晶体的红外透过率曲线来间接地考察。波长为50O0c盯’处的红外 透过率由沉淀相散射决定。波长为IOO0cm一,处的红外吸收主要是自由载流子的 吸收。T460夕TI。00的值则可以反映这两种红外散射机制所占的相对比重。根据退火 摘要 前后这三项指标的变化情况考察了Te沉淀在不同退火


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