Te族化合物半導體相變、缺陷和界面結構研究.pdf

1、Te族化合物半導體中的Hg3In2Te6和CdZnTe是近年來在非制冷近紅外探測和輻射探測領域受到廣泛關注的新型功能材料，其中Hg3In2Te6屬于單相成分區(qū)較窄的Hg3Te3-In2Te3體系，其單晶生長過程中的多相轉變行為往往會影響晶體的物理性能。對于CdZnTe來說，晶體本身的擴展缺陷則是影響其內部載流子傳輸特性的重要因素。由此可見，這兩種單晶生長時的相變及缺陷對其探測器性能都有著至關重要的影響。此外，化學拋光和快速退火熱處理是H

2、g3In2Te6和CdZnTe器件制備過程中所必需的晶體處理工藝，其對金屬/半導體接觸界面結構和接觸特性的影響規(guī)律通常是實現半導體器件性能控制與優(yōu)化所不可忽視的。因此，本文主要基于相變和晶體學理論對Hg3In2Te6的相變機理和CdZnTe內部擴展缺陷的結構進行了系統(tǒng)的研究，同時以Au作為兩種半導體的電極材料，研究了快速退火熱處理和表面化學拋光工藝對Au/Hg3In2Te6和Au/CdZnTe接觸界面結構及接觸特性的影響規(guī)律與機理。

3、r>　　本文采用透射電子顯微鏡（TEM）研究了富Hg條件下采用改進的布里奇曼法生長的Hg3In2Te6單晶體內部Hg5In2Te8沉淀相的晶體學特征和相變的原子機制。TEM觀察結果表明，在Hg3In2Te6內部存在彌散分布的柱狀沉淀相，其生長特征呈現三種互為90°的變體，兩相之間為立方平行取向關系。以不同晶帶軸下的電子衍射花樣為基礎，重構了Hg5In2Te8相的三維倒空間結構。此外，針對Hg5In2Te8相在立方 Hg3In2Te6中的

4、柱狀生長形態(tài)，通過近重合位置點陣模型計算，首次提出了Hg5In2Te8在相變過程中由于空位有序化導致的0.7577％的晶格收縮，在此基礎上，采用應變單元不變原理模型計算并驗證了Hg5In2Te8沉淀相的晶體學特征，揭示了Hg5In2Te8沉淀相的柱狀生長形態(tài)與三種變體的生長特征是由于其結構內部的空位有序化導致的。
　　采用同步輻射光電子能譜（SRPES）研究了Ar+刻蝕對Hg3In2Te6表面能帶結構的影響規(guī)律，并在此基礎上采用分

5、子束外延法在Hg3In2Te6表面制備了Au薄膜，研究了Au/Hg3In2Te6界面的形成機理。研究結果發(fā)現，經過Ar+刻蝕后，Hg3In2Te6表面的Hg-Te鍵斷裂，導致Hg元素揮發(fā)及Te元素在表面富集。通過對價帶譜的分析，發(fā)現在刻蝕前后 Hg3In2Te6表面的能帶彎曲程度基本沒有變化，表面電子親和勢與功函數以相同的速度降低，這可能與刻蝕過程中Hg3In2Te6表面Hg元素的揮發(fā)有關。此外，在Au薄膜沉積的過程中，通過對各元素芯能

6、級譜峰強度的監(jiān)測，獲得了Au在Hg3In2Te6表面的三維島狀生長模式，發(fā)現在沉積厚度達到1.3 ML時，Au與Hg3In2Te6表面富集的Te發(fā)生化學反應生成了AuTe2相。
　　采用TEM表征結合電學性能測試，研究了快速退火熱處理對Au/Hg3In2Te6界面結構和接觸性能的影響規(guī)律。結果發(fā)現，在經過250℃退火之后，Au/Hg3In2Te6接觸具有最高的肖特基勢壘高度（SBH）0.571 eV。通過TEM研究界面結構發(fā)現，在

7、該退火溫度下，AuTe2顆粒能夠在Au/Hg3In2Te6界面處生成，該相具有簡單正交結構，生長形態(tài)不規(guī)則且與基體之間沒有確定的取向關系，推測這種AuTe2相的生成機制為定向附著機制。結合電學性能測試和能帶結構分析可知，在Au/Hg3In2Te6接觸界面處由于退火而形成的AuTe2相能夠提高其SBH，其原因是由于該相的存在能夠在Au與Hg3In2Te6之間引入的新缺陷能級，導致能帶向上彎曲加劇，阻礙了界面載流子的傳輸，使接觸勢壘提高。<

8、br>　　采用TEM研究了CdZnTe單晶內部擴展缺陷的結構，計算并得到了CdZnTe的層錯能，結果表明，CdZnTe內部存在兩種類型的60°位錯，通過繪制柏氏回路發(fā)現，兩種位錯的分解反應分別為1/2[110]→1/6[211]+1/6[121]和1/2[101]→1/6[211]+1/6[112]，其形成機制分別為點缺陷的聚集和晶體中某一晶面的整體滑動。同時，發(fā)現CdZnTe內部的層錯是由位于(111)面上的柏氏矢量為[110]的全位

9、錯通過[110]→1/3[211]+SF+1/3[121]的位錯分解而生成的，通過測量層錯寬度，計算并得到了CdZnTe單晶的層錯能為9.17 mJ/m2。與Si、Ge等金剛石結構的半導體材料相比，CdZnTe的層錯能較低，這是由于其內部鍵合離子性較高的原因。
　　采用AFM、SEM和TEM等方法并結合電學性能測試，獲得了化學拋光工藝對CdZnTe表面及其與Au接觸界面結構和電學性能的影響規(guī)律，結果表明，在采用2%的Br–MeOH

10、溶液對CdZnTe進行化學拋光4 min后，其表面的劃痕與缺陷已完全消失，同時表面出現了富Te層。TEM結果表明，Au/CdZnTe界面處由于晶格錯配導致的非晶層在化學拋光4 min之后完全消失，其原因是由于化學拋光所形成的富Te層與Au之間的晶格錯配（9.2%）小于Au與CdZnTe之間的晶格錯配（57.5%）。I-V特性測試結果表明，在經過4 min化學拋光后，Au與CdZnTe之間的歐姆接觸系數由0.4609升高至1.0904，表