余連杰,史衍麗,蘇玉輝,李雄軍
?
Cd組分對(duì)非晶態(tài)Hg1-CdTe薄膜暗電導(dǎo)的影響
余連杰,史衍麗,蘇玉輝,李雄軍
(昆明物理研究所,云南 昆明 650223)
利用射頻濺射方法制備了非晶態(tài)Hg1-CdTe薄膜(=0, 0.22, 0.50, 0.66, 1),在80K~300K溫度范圍內(nèi),研究了Cd組分對(duì)暗電導(dǎo)的影響。當(dāng)溫度>210K時(shí),隨著Cd組分增加,暗電導(dǎo)減小;當(dāng)溫度<210K,隨著Cd組分增加,則暗電導(dǎo)增大;當(dāng)溫度=210K時(shí),暗電導(dǎo)幾乎與Cd組分無(wú)關(guān)。這可能是由于隨著Cd組分增加,薄膜中的缺陷增加所致。a-Hg1-CdTe(=0、0.22、0.50、0.66和1)薄膜中存在擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)和局域態(tài)電導(dǎo),Cd組分越大,兩種導(dǎo)電機(jī)制的轉(zhuǎn)變溫度m也越高。在=300K時(shí),利用暗電導(dǎo)的激活能估算出了非晶態(tài)Hg1-CdTe薄膜的遷移率隙g,隨著Cd組分增加,遷移率隙g微弱減小。
非晶態(tài)半導(dǎo)體;非晶態(tài)碲鎘汞;暗電導(dǎo);導(dǎo)電機(jī)制
Te基非晶態(tài)半導(dǎo)體材料由于具有卓越的光電性能,可以作為紅外窗口和圖像記錄等材料[1]。在光電器件和太陽(yáng)能量電池方面存在廣闊的應(yīng)用前景,是一種重要的光電材料,近年來(lái)逐漸受到科學(xué)家們的關(guān)注。這類材料的共同特點(diǎn)是缺乏長(zhǎng)程序,遷移率隙中存在局域態(tài)和本身固有的缺陷[2-3]。
通過(guò)改變組分值,可以改變晶態(tài)碲鎘汞(Hg1-CdTe)材料的光電性能以及探測(cè)器的響應(yīng)波段范圍[4],50多年來(lái)其在紅外探測(cè)器應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展,仍是目前最重要的第三代紅外探測(cè)材料之一[5]。非晶態(tài)Hg1-CdTe(簡(jiǎn)稱a-Hg1-CdTe)薄膜因其對(duì)襯底無(wú)選擇性,可大面積生長(zhǎng),且對(duì)短波紅外具有光電響應(yīng)近年來(lái)開始受到關(guān)注[6-10]。暗電導(dǎo)是非晶態(tài)半導(dǎo)體的一個(gè)非常重要的電學(xué)參數(shù),我們?cè)鴮?duì)非晶態(tài)HgCdTe暗電導(dǎo)的溫度特性進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的研究[9]。通過(guò)改變組分,可以改善非晶態(tài)半導(dǎo)體的物理性能[11-15]。但是改變Cd組分,對(duì)非晶態(tài)Hg1-CdTe薄膜的電學(xué)性質(zhì)有何影響以及影響規(guī)律?
本文利用射頻磁控濺射技術(shù)制備了a-Hg1-CdTe(=0, 0.22, 0.50, 0.66, 1)薄膜,在80K~300K溫度范圍內(nèi),研究了組分對(duì)暗電導(dǎo)的影響。
為了精確測(cè)量a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo),設(shè)計(jì)了方形電極結(jié)構(gòu),如圖1所示,電極厚度=2mm,電極長(zhǎng)度為=250mm,電極間距為=28mm[6-7,9]。首先在寶石襯底上制備出金電極,然后以多晶態(tài)Hg1-CdTe(=0,0.22,0.50,0.66,1)材料為濺射靶材,利用射頻磁控濺射技術(shù)在寶石襯底上制備a-Hg1-CdTe薄膜,薄膜厚度為=1.5mm。在濺射過(guò)程中,襯底溫度為10℃,氣體壓強(qiáng)約為1Pa,濺射功率約10W。
a-Hg1-CdTe薄膜的XRD衍射圖中沒(méi)有出現(xiàn)晶體材料所具有的衍射峰,表明其具有非晶態(tài)半導(dǎo)體的特性。把樣品封裝在液氮變溫杜瓦瓶?jī)?nèi),80K~300K溫度范圍內(nèi)的-特性測(cè)量結(jié)果表明,在-20V~+20V偏壓范圍內(nèi),樣品具有良好的歐姆接觸特性。利用-測(cè)試儀器測(cè)量樣品的暗電流d,通過(guò)計(jì)算得到樣品的暗電導(dǎo)值。利用控溫儀控制樣品溫度,每間隔10K測(cè)量一組數(shù)據(jù),得到不同溫度時(shí)的暗電導(dǎo)值。
圖1 a-Hg1-xCdxTe薄膜電導(dǎo)測(cè)量樣品結(jié)構(gòu)
在80K~300K溫度范圍內(nèi),a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。樣品編號(hào)分別為a-MCT-PC03#(=0)、a-MCT-PC07#(=0.22)、a-MCT-PC12#(=0.50)、a-MCT-68#(=0.66)和a-MCT-PC13#(=1.0)。
結(jié)果表明,不同Cd組分=0,0.22,0.50,0.66的a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)具有相同的變化趨勢(shì):即隨著溫度升高,暗電導(dǎo)增大,表明其具有熱激活特性。=80K時(shí)暗電導(dǎo)最小,而=300K時(shí)暗電導(dǎo)最大。在80K~300K溫度范圍內(nèi),Cd組分越小,暗電導(dǎo)變化越顯著:=0(a-HgTe)變化約4個(gè)數(shù)量級(jí),=0.22變化約350倍,=0.50變化約60倍,=0.66樣品變化約12倍。而Cd組分=1的樣品(a-CdTe)的暗電導(dǎo)隨著溫度升高,先增大后降低,約在=120K時(shí),達(dá)到最大值(d≈1.0×10-7Ω-1cm-1)。在所研究溫度范圍內(nèi),=1樣品(a-CdTe,a-MCT-PC13#)暗電導(dǎo)變化很小。約在溫度=210K,不同Cd組分a-Hg1-CdTe薄膜樣品的暗電導(dǎo)幾乎相等(d≈8.0×10-8Ω-1cm-1)。
圖2 a-Hg1-xCdxTe(x=0,0.22,0.50,0.66,1)薄膜暗電導(dǎo)與溫度的關(guān)系曲線
根據(jù)圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出a-Hg1-CdTe薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分的關(guān)系分為兩個(gè)溫度區(qū)域:>210K和<210K。在不同的溫度區(qū)域,暗電導(dǎo)與組分的關(guān)系不同,如圖3所示。
圖3 a-Hg1-xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分x的關(guān)系
當(dāng)溫度>210K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜暗電導(dǎo)與組分的關(guān)系曲線,如圖3(a)所示。可以看出,隨著組分增加,非晶態(tài)Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)降低。非晶態(tài)HgTe(=0)樣品的暗電導(dǎo)最大,在=300K時(shí)約為d=7.62×10-5Ω-1cm-1,而非晶態(tài)CdTe(=1)樣品的暗電導(dǎo)最低,約為d=6.20×10-8Ω-1cm-1。這與晶態(tài)材料的變化趨勢(shì)相似。而當(dāng)溫度<210K時(shí),則相反,其暗電導(dǎo)隨著組分增加而增大,典型的a-Hg1-CdTe薄膜暗電導(dǎo)與組分的關(guān)系曲線,如圖3(b)所示。
低組分(<1)a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)具有熱激活特性,可表示為:
d=0exp(-Dad/) (1)
式中:0為指前因子;Dad為暗電導(dǎo)激活能;為玻爾茲曼常數(shù);為絕對(duì)溫度。根據(jù)圖2中的曲線斜率,可以計(jì)算出a-Hg1-CdTe薄膜暗電導(dǎo)的激活能。圖4給出了在=300K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)激活能與Cd組分的關(guān)系曲線。
圖4 a-Hg1-xCdxTe(x=0,0.22,0.50,0.66)薄膜暗電導(dǎo)激活能DEad與Cd組分x的關(guān)系曲線
非晶態(tài)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)近似位于遷移率隙的中央位置,在溫度為=300K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)為主,因此a-Hg1-CdTe薄膜的遷移率隙g近似為其暗電導(dǎo)激活能Dad的兩倍(g≈2Dad)。據(jù)此可以計(jì)算出=300K時(shí)a-Hg1-CdTe薄膜的遷移率隙。表1中列出了=300K時(shí),不同Cd組分a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)、指前因子、激活能和遷移率隙值??梢钥闯?,a-Hg1-CdTe薄膜的遷移率隙g隨著Cd組分增加而緩慢減小,這與晶態(tài)Hg1-CdTe帶隙組分關(guān)系式不同。而且非晶態(tài)HgTe(=0)薄膜的帶隙為正值,這也與晶態(tài)HgTe材料的負(fù)帶隙不同。
當(dāng)>210K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)為主。a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)對(duì)組分的依賴關(guān)系與a-Se90Ge10-In[16]及a-Se0.80-Te0.20Ge[17]薄膜的暗電導(dǎo)對(duì)組分的依賴關(guān)系非常相似。a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)、激活能、指前因子等參數(shù)具有相同的變化趨勢(shì):隨著組分增加,它們均降低。根據(jù)Mott和Davis[18]理論,暗電導(dǎo)指前因子0與局域態(tài)密度有關(guān),局域態(tài)密度越低,0越大。對(duì)于a-Hg1-CdTe(=0,0.22,0.50,0.66)薄膜樣品,0和Dad都隨著組分x增加而降低。這可能是隨著Cd組分增加,材料的無(wú)序度增大,導(dǎo)致a-Hg1-CdTe薄膜具有更高的局域態(tài)密度,因此0和Dad均降低。
表1 a-Hg1-xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)、指前因子、激活能和遷移率隙(T=300K)
當(dāng)溫度=210K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)與Cd組分無(wú)關(guān)。
當(dāng)<210K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制以局域態(tài)電導(dǎo)為主。與>210K時(shí)相反,此時(shí)隨著Cd組分增加,a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)d增大。這是因?yàn)殡S著Cd組分增加,a-Hg1-CdTe薄膜的無(wú)序度增大。根據(jù)電子局域化理論[18],可知非晶態(tài)半導(dǎo)體的無(wú)序度越高,其局域態(tài)密度越大,載流子跳躍的幾率也越大,越有利于載流子的輸運(yùn),局域態(tài)電導(dǎo)也越大。而在<210K時(shí),a-Hg1-CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制以局域態(tài)電導(dǎo)為主,因此隨著Cd組分增加,暗電導(dǎo)增大。在其他非晶態(tài)半導(dǎo)體中也觀察到類似的現(xiàn)象[19]。
隨著組分增加,a-Hg1-CdTe薄膜局域態(tài)電導(dǎo)和擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度m升高,如表2所示。對(duì)于=0(非晶態(tài)HgTe)的電導(dǎo)機(jī)制轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)約為m=180K。=1(非晶態(tài)CdTe)樣品的暗電導(dǎo)在80K~300K溫度范圍內(nèi)變化很小,說(shuō)明在此溫區(qū)其以局域態(tài)電導(dǎo)為主,也反映出其電導(dǎo)機(jī)制轉(zhuǎn)變溫度可能會(huì)更高(超過(guò)300K)。而=0.22、=0.50和=0.66樣品的轉(zhuǎn)變溫度m很接近,分別為240K、250K和260K。
在80K~300K溫度范圍內(nèi),研究了a-Hg1-CdTe(=0,0.22,0.50,0.66,1)薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分的關(guān)系。研究表明:
表2 a-Hg1-xCdxTe薄膜擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)與局域態(tài)電導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度Tm
①在80K~300K溫度范圍內(nèi),a-Hg1-CdTe(=0,0.22,0.50,0.66)薄膜的暗電導(dǎo)具有激活特性,且在=300K時(shí)以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)為主,暗電導(dǎo)和熱激活能都隨著組分增加而降低,=1樣品(a-CdTe)的暗電導(dǎo)不具有熱激活特性。
②在不同溫度范圍,Cd組分對(duì)暗電導(dǎo)的影響不同:在高溫區(qū)(>210K),隨著增加,暗電導(dǎo)降低;在低溫區(qū)(<210K),則隨著增加,暗電導(dǎo)增大。而當(dāng)=210K時(shí),則a-Hg1-CdTe薄膜的暗電導(dǎo)幾乎與組分無(wú)關(guān)(d≈8.0×10-8Ω-1cm-1)。
③a-Hg1-CdTe薄膜中存在的擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)和局域態(tài)電導(dǎo),Cd組分越大,兩種導(dǎo)電機(jī)制的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)也越高,=0、0.22、0.50和0.66樣品的轉(zhuǎn)變溫度分別約為c=180K、240K、250K和260K,而=1(a-CdTe)的轉(zhuǎn)變溫度高于300K。
通過(guò)改變Cd組分值,可以改善a-Hg1-CdTe薄膜的電學(xué)特性。
[1] Nasu H, Ibara Y, Kubodera K. Optical third-harmonic generation from some high-index glasses[J]., 1989, 110: 229-234.
[2] Davis E A, Mott N F. Conduction in non-crystalline systems V. Conductivity, optical absorption and photoconductivity in amorphous semiconductors[J]., 1970, 22(179): 903-922.
[3] Pollak M. On the frequency dependence of conductivity in amorphous solids[J]., 1971, 23(183): 519-542.
[4] Willardson R K, Beer A C.[M]. New York: Academic Press, 1970: 175-255.
[5] 羅世魁, 成桂梅. 基于高導(dǎo)熱碳纖維的HgCdTe大面陣探測(cè)器熱適配結(jié)構(gòu)在空間紅外遙感相機(jī)中的應(yīng)用[J].紅外與激光工程, 2016, 45(7): 704001-0704001(6).
Luo Shikui, Cheng Guimei. Thermal adapter of HgCdTe large plane arrays detector based on carbon fiber with high heat conductivity used in infrared space camera[J]., 2016, 45(7): 704001-0704001(6).
[6] Yu Lianjie, Shi Yanli, Zhuang Jisheng, et al. The modulated photocurrent of amorphous HgCdTe thin films[C]//. 2011, 8193: 819341.
[7] 余連杰, 史衍麗, 李雄軍, 等. 退火對(duì)非晶態(tài)碲鎘汞薄膜穩(wěn)定態(tài)光電導(dǎo)的影響[J]. 光電子·激光, 2012, 23(4): 735-739.
Yu Lianjie, Shi Yanli, Li Xiongjun, et al. Effect of thermal annealing on the steady state photoconductivity of amorphous HgCdTe thin films[J]., 2012, 23(4): 735-739. (in chinese)
[8] YU Lianjie, SHI Yanli, DENG Gong-rong, et al. The Research on Photoelectrical Properties of Amorphous HgTe Thin Films[J]., 2011, 33(4): 190-194.
余連杰, 史衍麗, 鄧功榮, 等. 非晶態(tài)碲化汞薄膜的光電特性研究[J]. 紅外技術(shù), 2011, 33(4): 190-194.
[9] YU Lianjie, SHI Yanli, HE Wenjin, et al. Relationship between dark conductivity and temperature for amorphous HgCdTe films[C]//, 2009, 7383: 73833N1-N7.
[10] YU Lianjie, SU Yuhui, SHI Yanli, et al. Persistent photoconductivity of amorphous Hg0.78Cd0.22Te: In films[J]., 2016, 37(10): 103003-5.
[11] Cohen M H, Fritzsche H, Ovshinsky S R. Simple Band Model for Amorphous Semiconducting Alloys[J]., 1969, 22: 1065-1068.
[12] Němec P, Frumar M, Jedelsky J. et al. Thin amorphous chalcogenide films prepared by pulsed laser deposition[J]., 2002, 299-302: 1013-1017.
[13] Amin G A M, Maged A F. Compositional dependence of the physical properties of Ge1Se9?xTexamorphous system[J]., 2006, 97: 420-424.
[14] Vineet Sharma. Effect of Sn additive on the electrical properties of Se-Te glassy alloy[J]., 2006, 8(5) :1823-1830.
[15] Vineet Sharma, Anup Thakur, Jeewan Sharma, Vivek Kumar, Sanjeev Gautam, Tripathi S K. Electrical properties of a-Se85-xTe15Snxthin films[J]., 2007, 353: 1474-1477.
[16] Singh S, Sharma R S, Shukla R K, Kumar A, Steady state photoconductivity in a-Se90Ge10-xInxthin films[J]., 2004, 6(3): 769-776.
[17] Kumar D, Kumar S. Composition Dependence of Photoconductivity in Amorphous Thin Films of Se.80?xTe.20Gex[J]., 2005, 29: 91-96.
[18] Mott N F, Davis E A.[M]. Oxford: Oxford University Press, 1979.
[19] Mehra R M, Gurinder, Ganjoo A, et.al, Effect of Antimony Doping on the Transport Properties of the Glassy Se80-xTe20SbxSystem[J].(a), 1991, 124(1): K51-K53.
Effect of Cd Composition on the Dark Conductivity of Amorphous Hg1-CdTe Thin Films
YU Lianjie,SHI Yanli,SU Yuhui,LI Xiongjun
(,650223,)
The compositional dependence of electrical conductivity of amorphous Hg1?xCdTe(=0, 0.22, 0.50, 0.66 and 1) thin films by RF sputtered technique in the range of 80K~300K is investigated.The results indicate that the dark conductivity decreases with Cd composition at high temperature range (>210K), increases with Cd composition at low temperature range (<210K) and is independent of Cd composition at=210K. This is explained in terms of the increase in the density of defect states with increase of Cd composition in a-Hg1?xCdTe thin films. There are two conduction mechanisms in the localized states and in the extended states for the a-Hg1?xCdTefilms. The transform temperature(m)from conduction in the localized states to conduction in the extended states will rise with increase of Cd composition. The mobility band gapgof a-Hg1?xCdTe thin films is calculated as a function of Cd composition at=300K. The mobility band gapgof a- Hg1?xCdTe thin films decreasestardily with the increase of Cd composition.
amorphous semiconductors,amorphous HgCdTe,dark conductivity,conduction mechanisms
TN304.8
A
1001-8891(2017)01-0032-04
2016-10-02;
2017-01-01.
余連杰(1977-),男,安徽臨泉人,博士,研究員級(jí)高工,主要研究方向?yàn)榧t外探測(cè)器。E-mail:lianjieyu@sina.com。
史衍麗(1969-),女,山東鄆城人,博士,博導(dǎo),研究員,主要從事探測(cè)器的設(shè)計(jì)和研制工作。E-mail:ylshikm@hotmail.com。