Au/n-Hg3In2Te6肖特基接触电学特性及抗辐照性能研究

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碲铟汞(Hg3In2Te6,以下简称MIT)是一种可用于制备近红外非致冷光电探测器的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有较高的光导量子效率、良好的温度稳定性和抗辐射性能,在航空制导、太空与航天探测等国防领域,以及光纤通信、核电站安全监测等民用领域有着良好的应用前景。对于高质量的肖特基光电探测器来说,晶片的表面处理工艺,以及温度、辐照等外界因素都会对该类肖特基接触的电学特性产生重要影响。然而,这些因素对MIT肖特基光电器件电学特性的研究,却鲜有报道。因此,系统地研究表面处理工艺、温度、辐照对MIT肖特基光电器件电学特性的影响规律,对于控制MIT肖特基光电器的电学性能和实现器件产业化具有重要的指导意义。本文首先研究了表面处理工艺对MIT晶体表面的价带结构和功函数影响机制,探讨了钝化处理、引入中间层对Au/n-MIT肖特基接触特性的影响规律,系统分析了中间层与MIT异质结界面特性和带阶类型的作用规律,获得了 Au/n-MIT肖特基接触变温的电流-电压特性(Ⅰ-Ⅴ)及界面的深能级缺陷特征,阐明了γ射线辐照对MIT晶体的光电性能及Au/n-MIT肖特基接触特性的影响机制。在超高真空条件下,通过Ar+刻蚀MIT晶体表面,结合X射线光电子能谱(XPS),研究了刻蚀对MIT晶体表面的元素分布和功函数的影响规律。结果表明,随着刻蚀电压的增加,MIT晶体表面的Hg元素浓度急剧降低而Te元素浓度增加。另外,MIT的表面功函数随着刻蚀电压的增加其值由4.23 eV升高至4.83 eV。这是由于刻蚀导致MIT晶体表面的Te-O键断裂和Te元素团簇,引起了费米能级钉扎。基于同步辐射光电子能谱,分析了 Ar+刻蚀和退火处理对MIT(110)表面的价带结构和功函数的影响规律。结果发现,MIT清洁表面价带顶的最大值为0.4 eV,功函数为4.83 eV。经0.5 KeV刻蚀15 min,并在200 0C下退火30 min后,能够获得清洁有序的MIT(110)单晶表面,此时,价带顶的最大值变为0.6 eV,而功函数为4.69eV。这是由于晶片表面Hg元素浓度急剧降低,引起了 MIT(110)晶体表面真空能级下降和费米能级钉扎,从而使MIT(110)晶片表面的功函数降低。采用XPS和Ⅰ-Ⅴ测试研究了 H2O2钝化处理对Au/n-MIT肖特基接触电学特性的影响规律与机理。结果表明经钝化处理后,MIT晶体表面Te2-转变为Te0,同时有HgO形成。此外,Au/n-MIT肖特基接触的漏电流从9.62×10-4 A降低到4.35×10-4 A,势垒高度从0.42 eV降低到0.38 eV。这是由于钝化处理使得晶体的表面悬挂键减少,导致晶片的表面态密度降低,从而引起漏电流的下降。通过XPS深度剖析技术和Ⅰ-Ⅴ电学特性测试,结合脉冲激光沉积(PLD),分析了 ITO和ZnO中间层对Au/n-MIT肖特基接触特性的影响规律与机制。结果发现,在ITO和ZnO的沉积过程中,中间层与MIT接触界面处仅存在原子互扩散。ITO使Au/n-MIT肖特基接触的漏电流由8.1 ×10-4 A下降到2.3×10-4A,势垒高度增加了 0.17 eV,而ZnO使Au/n-MIT肖特基接触的漏电流从2.3×10-4 A降低到7.3×10-5 A,且势垒高度的增加量与ITO中间层一致。同时,当ITO和ZnO中间层引入后,Au/n-MIT肖特基接触的理想因子和接触电阻都有所降低。这是由于在加入中间层后,元素的扩散补偿了 MIT表面Hg空位的数量,降低了表面态密度,费米能级钉扎效应削弱,能带弯曲减小。这些结果表明了中间层的引入可以有效地改善Au/n-MIT肖特基接触电学特性。基于同步辐射光电子能谱,结合PLD,测试了 ITO和ZnO与MIT(110)的异质结接触界面特性及带阶类型。结果发现,在ITO和ZnO的沉积过程中,异质结接触界面处仅存在原子互扩散。依据光电子能谱法,计算了该类异质结带阶类型,具体如下:ITO/MIT(110)异质结价带和导带的带阶分别为-1±0.15 eV和-3.96±0.15 eV,为Ⅱ类带阶;ZnO/MIT(110)异质结的价带和导带带阶分别为2.3±0.15eV和0.46±0.15eV,为 I 类带阶。研究了 Au/n-MIT肖特基接触的变温电学特性。结果表明,当温度从140 K增加到315 K时,Au/n-MIT的肖特基势垒高度从0.39 eV增加到0.5 eV,理想因子也从1.88增加到3.18。基于φbo与q/2kT之间的关系,结合势垒高度的高斯分布函数,证实了 Au/n-MIT肖特基接触势垒高度分布的横向不均匀性是引起势垒高度和理想因子随温度变化的主要原因。最后,采用深能级瞬态谱对Au/n-MIT肖特基接触界面处缺陷能级进行测试。结果发现,在Au/n-MIT肖特基接触界面处存在两个缺陷能级,其激活能和光电离截面分别为20 meV和278 meV、2.78×1016和1.13× 1017 cm-3。采用霍尔测试、红外透过及Ⅰ-Ⅴ测试,探讨了γ射线对MIT晶体及其与Au肖特基接触性能的影响规律。结果表明随着γ射线辐照剂量的增大,MIT晶体的载流子浓度、迁移率、电阻率及红外透过率未发生显著降低,表明MIT晶体具有良好的抗辐照性能。Ⅰ-Ⅴ测试结果表明,随着辐照剂量的增加,Au/n-MIT肖特基接触的漏电流随之增加,但其正向饱和电流和势垒高度不变。这是由于辐照会在Au/n-MIT肖特基接触界面处引入新的缺陷能级,从而会导致界面态增加,使得漏电流随之增大。
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