Te族化合物半導(dǎo)體相變、缺陷和界面結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、Te族化合物半導(dǎo)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(lǐng)域受到廣泛關(guān)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(zhuǎn)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(kuò)展缺陷則是影響其內(nèi)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(guān)重要的影響。此外，化學(xué)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(dǎo)體接觸界面結(jié)構(gòu)和接觸特性的影響規(guī)律通常是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)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(xué)理論對Hg3In2Te6的相變機(jī)理和CdZnTe內(nèi)部擴(kuò)展缺陷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，同時以Au作為兩種半導(dǎo)體的電極材料，研究了快速退火熱處理和表面化學(xué)拋光工藝對Au/Hg3In2Te6和Au/CdZnTe接觸界面結(jié)構(gòu)及接觸特性的影響規(guī)律與機(jī)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(jìn)的布里奇曼法生長的Hg3In2Te6單晶體內(nèi)部Hg5In2Te8沉淀相的晶體學(xué)特征和相變的原子機(jī)制。TEM觀察結(jié)果表明，在Hg3In2Te6內(nèi)部存在彌散分布的柱狀沉淀相，其生長特征呈現(xiàn)三種互為90°的變體，兩相之間為立方平行取向關(guān)系。以不同晶帶軸下的電子衍射花樣為基礎(chǔ)，重構(gòu)了Hg5In2Te8相的三維倒空間結(jié)構(gòu)。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(diǎn)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(dǎo)致的0.7577％的晶格收縮，在此基礎(chǔ)上，采用應(yīng)變單元不變原理模型計算并驗(yàn)證了Hg5In2Te8沉淀相的晶體學(xué)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(jié)構(gòu)內(nèi)部的空位有序化導(dǎo)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(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)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(jī)理。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過Ar+刻蝕后，Hg3In2Te6表面的Hg-Te鍵斷裂，導(dǎo)致Hg元素?fù)]發(fā)及Te元素在表面富集。通過對價帶譜的分析，發(fā)現(xiàn)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(shù)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(guān)。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(qiáng)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(xiàn)在沉積厚度達(dá)到1.3 ML時，Au與Hg3In2Te6表面富集的Te發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了AuTe2相。
　　采用TEM表征結(jié)合電學(xué)性能測試，研究了快速退火熱處理對Au/Hg3In2Te6界面結(jié)構(gòu)和接觸性能的影響規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)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(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)，生長形態(tài)不規(guī)則且與基體之間沒有確定的取向關(guān)系，推測這種AuTe2相的生成機(jī)制為定向附著機(jī)制。結(jié)合電學(xué)性能測試和能帶結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(nèi)部擴(kuò)展缺陷的結(jié)構(gòu)，計算并得到了CdZnTe的層錯能，結(jié)果表明，CdZnTe內(nèi)部存在兩種類型的60°位錯，通過繪制柏氏回路發(fā)現(xiàn)，兩種位錯的分解反應(yīng)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(jī)制分別為點(diǎn)缺陷的聚集和晶體中某一晶面的整體滑動。同時，發(fā)現(xiàn)CdZnTe內(nèi)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(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料相比，CdZnTe的層錯能較低，這是由于其內(nèi)部鍵合離子性較高的原因。
　　采用AFM、SEM和TEM等方法并結(jié)合電學(xué)性能測試，獲得了化學(xué)拋光工藝對CdZnTe表面及其與Au接觸界面結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，在采用2%的Br–MeOH

10、溶液對CdZnTe進(jìn)行化學(xué)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(xiàn)了富Te層。TEM結(jié)果表明，Au/CdZnTe界面處由于晶格錯配導(dǎo)致的非晶層在化學(xué)拋光4 min之后完全消失，其原因是由于化學(xué)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(jié)果表明，在經(jīng)過4 min化學(xué)拋光后，Au與CdZnTe之間的歐姆接觸系數(shù)由0.4609升高至1.0904，表