陳偉龍 郭榕榕 仝鈺申 劉莉莉 周圣嵐 林金海

(廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院,福建省光電技術(shù)與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門 361024)

晶界是限制CdZnTe 核輻射成像探測器大面積應(yīng)用的主要缺陷之一.為了探究改善晶界附近電場分布特性的方式,本文采用Silvaco TCAD 從理論上研究了亞禁帶光照對于含晶界CdZnTe 探測器內(nèi)電場分布的影響.仿真結(jié)果表明,在無偏壓下,亞禁帶光照能使得晶界勢壘降低,從而減小對載流子傳輸?shù)淖璧K作用.在外加偏壓下,亞禁帶光照使得晶界引起的電場死區(qū)消失,使其電場分布趨向于線性分布.同時研究了不同波長和不同強(qiáng)度的亞禁帶光照對于晶界電場分布的影響,結(jié)果表明光強(qiáng)低于1×10–9 W/cm2時,亞禁帶光照對于CdZnTe 晶體的電場無調(diào)節(jié)作用.而在波長850 nm,光強(qiáng)1×10–7 W/cm2的亞禁帶光照下,實(shí)現(xiàn)了更平坦地電場分布,因此可有效地提高器件的載流子收集效率.仿真結(jié)果為調(diào)節(jié)晶界電場分布提供了理論指導(dǎo).

1 引言

由于高阻的CdZnTe 優(yōu)異性能,在核安全、環(huán)境監(jiān)測、天體物理學(xué)和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注[1?5].然而,由于晶體生長和電極接觸特性中固有的結(jié)晶復(fù)雜性,載流子傳輸特性和探測器的性能不太令人滿意.擴(kuò)展缺陷,如晶界、位錯和Te 夾雜物,是不可避免的,這限制了大尺寸探測器的應(yīng)用[6?9].在以往的研究中,在CdZnTe晶體中觀察到孿晶界和小角晶界[10,11].結(jié)果表明,晶界可能形成漂移載流子的潛在勢壘[12].同時,也有一些關(guān)于CdZnTe 探測器電場分布的研究.Li等[13]在CdZnTe 探測器內(nèi)發(fā)現(xiàn)晶界兩側(cè)存在不均勻的電場.Dong等[14]利用Pockels 技術(shù)觀察了孿晶界附近的電場分布特性,發(fā)現(xiàn)畸變電場是激光誘導(dǎo)的瞬態(tài)光電流信號突然增大的原因.因此如何改善含晶界的CdZnTe 晶體的電場分布以及如何提高器件性能是一個值得進(jìn)一步研究的問題.

外加光照條件是CdZnTe 探測器重要的外在影響因素之一.引入紅外光照能夠提高CdZnTe載流子的遷移率壽命積[15].Ivanov等[16]的研究發(fā)現(xiàn)將CdZnTe 探測器置于紅外光照下,CdZnTe 探測器的性能得到了提升.Washington等[17]的研究發(fā)現(xiàn),亞禁帶光照對CdZnTe 晶體的內(nèi)電場分布有明顯影響,可能與深能級缺陷載流子的占據(jù)狀態(tài)有關(guān).雖然CdZnTe 探測器在亞禁帶光照下的研究有很多結(jié)果,但亞禁帶光照對含晶界CdZnTe探測器的空間電荷分布機(jī)制以及如何操縱內(nèi)部電場以獲得良好的探測器性能仍缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識.因此本研究的目的是通過Silvaco TCAD 建立仿真模型,探究亞禁帶光照下對含晶界的CdZnTe 晶體的空間電荷分布和電場分布影響,從而揭示亞禁帶光照對晶界附近電場分布的內(nèi)在調(diào)控機(jī)制及尋找一個合適的光照條件來提高CdZnTe 探測器的性能.

2 建模

Silvaco TCAD是對半導(dǎo)體特性進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng).Au 電極與CdZnTe 接觸形成MSM 型Au/CdZnTe/Au 核輻射探測器廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)與仿真研究[18,19].本文采用Silvaco TCAD對Au/CdZnTe/Au 結(jié)構(gòu)的探測器進(jìn)行(2D)數(shù)值模擬,仿真的CdZnTe 晶體為N 型半導(dǎo)體.本次仿真采用三能級補(bǔ)償模型[20],考慮晶體基體內(nèi)部存在淺施主,淺受主以及深施主能級.其中,定義淺施主能級的濃度為1.1×1012cm–3,淺受主能級的濃度為1.2×1012cm–3,且淺施主與淺受主能級在室溫下全電離.普遍認(rèn)為摻In的CdZnTe 晶體中,深施主能級(TeCd++)能級位置為EV+0.86 eV[21].電子親和能為4.3 eV.Au的功函數(shù)為5.1 eV,Au與N 型CdZnTe 接觸會形成肖特基勢壘,造成一定的能帶彎曲.仿真具體的參數(shù)如表1和表2 所示.

表1 CdZnTe 晶體的基本參數(shù)[35]Table 1.Basic parameters of CdZnTe crystal[35].

晶界具有廣泛的深能級陷阱態(tài)分布,已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)并應(yīng)用于Si,ZnO,GaAs 等多種材料的仿真研究[22].在Si 晶體的仿真模型中,晶界被認(rèn)為是一個二維界面和缺陷集中層[23],同樣地在GaAs 太陽能電池和ZnO的晶界仿真中,缺陷態(tài)被引入晶界[24,25].這些結(jié)構(gòu)缺陷在晶界中包括懸掛鍵、弱鍵和點(diǎn)缺陷,形成高密度陷阱包含帶尾態(tài)和深能級態(tài)的能帶.當(dāng)這些陷阱被填充時,會形成一個勢壘并阻礙載流子的傳輸[26].

基于以往對于晶界的仿真研究,本次仿真考慮CdZnTe 晶體中存在2 μm的晶界,具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示,在CdZnTe 晶界中引入了帶尾態(tài)和深能級態(tài).CdZnTe 晶體基體的深能級缺陷參數(shù)見表2 所示.

表2 CdZnTe 晶體基體能級的基本信息[21]Table 2.Basic information of the energy levels in the CdZnTe crystal matrix[21].

圖1 Au/CdZnTe/Au 器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1.Au/CdZnTe/Au device structure schematic.

CdZnTe 晶體的晶界缺陷參數(shù)見表3.將CdZnTe晶界缺陷EV+0.75 eV 定義為深能級受主[27,28],考慮為晶界的主要缺陷.同時,在仿真模型[29,30]中考慮了InCd-VCd(EV+0.14 eV)和CdTe(EC– 0.10 eV)等缺陷,這些缺陷在仿真過程中完全電離.采用波長890 nm,光強(qiáng)為1×10–8W/cm2的亞禁帶光照從CdZnTe 陽極入射,其參數(shù)見表4.890 nm的亞禁帶光在CdZnTe 晶體中的穿透深度為4.6 mm,大于本文CdZnTe 晶體的厚度[31?34].

表3 CdZnTe 晶體晶界能級的基本信息[27?30]Table 3.Basic information of energy levels in the grain boundary of CdZnTe crystal[27?30].

表4 890 nm 亞禁帶光照參數(shù)[31?34]Table 4.Basic parameters of 890 nm sub-bandgap illumination[31?34].

3 仿真結(jié)果與討論

3.1 無偏壓下亞禁帶光照的影響

為探究無偏壓下,亞禁帶光照對于含晶界的CdZnTe 晶體中的電場分布和空間電荷分布的影響,采用光強(qiáng)為1×10–8W/cm2,波長為890 nm的亞禁帶光照從晶界缺陷EV+0.75 eV 濃度5×1012cm–3的CdZnTe 陽極入射.圖2(a)顯示了在無光照和在亞禁帶光照下的CdZnTe 晶體內(nèi)部的電子濃度分布.由圖2(a)可知,無光照下,晶界處和電極接觸處的電子濃度較低.由于晶界處深受主缺陷俘獲電子,因此,晶界處的電子濃度較低.而電極接觸處的電子濃度較低是由于金屬半導(dǎo)體的功函數(shù)不一樣所導(dǎo)致的.N 型CdZnTe 晶體與金屬Au 接觸時,由于金屬Au的功函數(shù)大于半導(dǎo)體CdZnTe 功函數(shù).因此,電子從CdZnTe 流到金屬中,金屬側(cè)聚集負(fù)電荷,半導(dǎo)體側(cè)聚集正電荷,CdZnTe 電極接觸處的電子濃度低于體內(nèi)的電子濃度,同時CdZnTe 積累的正電荷從表面延伸到內(nèi)部一定厚度,形成空間電荷區(qū).結(jié)果,在陽極和陰極附近形成內(nèi)部電場,其方向從半導(dǎo)體指向到金屬,造成一定的能帶彎曲.當(dāng)采用亞禁帶光照射時,CdZnTe 晶體內(nèi)的電子濃度升高,這是由于亞禁帶光照的入射使得CdZnTe 晶體更多的電子躍遷至導(dǎo)帶,并且由于是從陽極入射,因此晶界左側(cè)的電子濃度高于晶界右側(cè)電子濃度.圖2(b)所示是有無光照的CdZnTe 晶體空間電荷分布,在亞禁帶光照射下晶界處的空間電荷濃度相比于無光照時降低,晶界及其晶界兩側(cè)的空間電荷均減小,這可能是由于在亞禁帶光照下載流子在晶界處的深能級的占有概率發(fā)生了變化.亞禁帶光照使得被俘獲至晶界深受主能級的電子發(fā)生去俘獲躍遷至導(dǎo)帶,因此電子在晶界處的深受主能級占有概率減小,深受主能級的電離減小,空間電荷濃度降低.

圖2(c)顯示了無光照和亞禁帶光照下的CdZnTe晶體內(nèi)部的電場分布,由于晶界處的負(fù)空間電荷及晶界兩側(cè)的正空間電荷分布,在晶界兩側(cè)形成了內(nèi)電場,晶界左側(cè)內(nèi)電場方向與晶界右側(cè)電場方向相反,因此在晶界及晶界兩側(cè)形成了中間低兩邊高的電場分布.在亞禁帶的光照下,由于晶界及其晶界兩側(cè)的空間電荷濃度降低,晶界兩側(cè)的電場強(qiáng)度相對于無光照下降低.因此在亞禁帶光照下CdZnTe晶體的晶界對于載流子的阻礙作用下降.圖2(d)所示是提取的無偏壓下CdZnTe 晶體的能帶圖,圖2(d)左圖是沒有光照的CdZnTe 晶體能帶圖,圖2(d)右圖是在亞禁帶光照照射下的CdZnTe 晶體能帶圖,相比于無光照的能帶勢壘,在亞禁帶光照下,晶界處的能帶勢壘降低,這與對電場的討論一致,在亞禁帶光照下晶界對于載流子的阻礙作用下降.

3.2 外加偏壓下亞禁帶光照的影響

在100 V 外加偏壓下,對晶界缺陷EV+0.75 eV濃度分別為5×1012cm–3與5×1014cm–3的CdZnTe晶體建立了仿真模型.其電場分布如圖3(a)所示,晶界缺陷濃度5×1012cm–3的CdZnTe 晶體其內(nèi)電場分布呈線性分布,而晶界缺陷濃度5×1014cm–3的CdZnTe 晶體內(nèi)部的電場在晶界右側(cè)形成了死區(qū),需要指出的是,死區(qū)對光生載流子的輸運(yùn)有較大的影響.在死區(qū)中,擴(kuò)散是載流子唯一的驅(qū)動力.這就增大了載流子在到達(dá)電極的路上被復(fù)合的概率,從而使探測器的對載流子收集效率降低.

根據(jù)3.1 節(jié)所述亞禁帶光照具有調(diào)節(jié)能帶勢壘的作用.為了探究在外加偏壓下亞禁帶光照對于晶界缺陷濃度5×1014cm–3的CdZnTe 晶體內(nèi)空間電荷及內(nèi)電場分布特性,在外加偏壓100 V下,采用光強(qiáng)為1×10–8W/cm2,波長為890 nm的光照從CdZnTe 陽極入射.圖3(a)所示為亞禁帶光照下,CdZnTe的電場畸變變小,電場死區(qū)減小.這可能是由于CdZnTe 空間電荷分布變化所導(dǎo)致的.圖3(b)是外加偏壓下CdZnTe 晶體空間電荷分布,晶界的空間電荷濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于晶界外的空間電荷濃度,在亞禁帶光照下,晶界的空間電荷濃度下降,所形成的內(nèi)建電場減小,因此電場的畸變變小.圖3(c)是CdZnTe 晶體晶界外的空間電荷分布,在無光照條件下,晶界缺陷濃度5×1014cm–3和晶界缺陷濃度5×1012cm–3的CdZnTe 空間電荷分布相比.在外加偏壓下,晶界缺陷濃度5×1012cm–3的CdZnTe 能帶發(fā)生傾斜,費(fèi)米能級相對能帶下移,靠近陰極下移越多,深施主能級電離越多,因此形成從陰極到陽極逐漸減少的空間電荷分布.當(dāng)晶界缺陷濃度增大至5×1014cm–3會使得晶界右側(cè)的空間電荷濃度幾乎為零,導(dǎo)致晶界右側(cè)的電場強(qiáng)度低,因此形成了載流子的死區(qū).然而在亞禁帶光照下,空間電荷濃度發(fā)生了變化,在晶界右側(cè)的空間電荷濃度增大,電場死區(qū)減小.這可以用改進(jìn)的SRH(Shockley-read-hall)復(fù)合模型進(jìn)行解釋[36,37].改進(jìn)的 SRH 模型描述了載流子在缺陷能級上的6 個光電躍遷過程的相對平衡,如圖3(e)所示:(1-2)導(dǎo)帶電子(價帶空穴)被缺陷能級俘獲;(3-4)電子(空穴)從缺陷能級到導(dǎo)帶(價帶)的熱激發(fā);(5-6)電子(空穴)從缺陷能級到導(dǎo)帶(價帶)的光電離過程[38].因此在亞禁帶光照下載流子在深能級上的占據(jù)狀態(tài)改變.當(dāng)這些光電躍遷過程達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)時,在晶界左側(cè)載流子更多地占據(jù)深施主能級,電離概率減小.在晶界右側(cè)載流子,更多被激發(fā)至導(dǎo)帶,電離概率增強(qiáng).相比于無光照下,亞禁帶光照下晶界左側(cè)的空間電荷濃度減小,晶界右側(cè)的空間電荷濃度增大.提取了深施主能級的電離密度,如圖3(d)所示,與上述討論一致.因此亞禁帶光照對于載流子占據(jù)深能級的占據(jù)狀態(tài)具有調(diào)節(jié)作用.仿真結(jié)果表明,亞禁帶光照調(diào)節(jié)能夠使得高晶界缺陷濃度CdZnTe 晶體的深施主電離密度向著低晶界缺陷濃度的CdZnTe 晶體的深施主電離密度變化,因此改善電場分布.

圖3 100 V 偏壓下有無光照的Au/CdZnTe/Au 器件仿真結(jié)果(a)電場分布;(b)空間電荷分布;(c)正空間電荷分布;(d)深施主電離密度;(e)SRH 模型[36?37]Fig.3.Simulation results of Au/CdZnTe/Au device with and without illumination under 100 V bias voltage:(a)Electric field distribution;(b)space charge distribution;(c)positive space charge distribution;(d)deep donor ionization density;(e)SRH model[36?37].

3.3 不同亞禁帶光照對電場分布的影響

上節(jié)論述表明通過亞禁帶光照能改善含晶界的CdZnTe 晶體內(nèi)部電場分布,為了尋找一個合適的亞禁帶光照更好地改善CdZnTe 內(nèi)部電場分布,本文在100 V 偏壓下分別探究不同強(qiáng)度和不同波長的亞禁帶光照對于含晶界CdZnTe 晶體的內(nèi)部電場影響.不同波長和強(qiáng)度的亞禁帶光照的選取仿真參數(shù)如表5 所示.

表5 不同波長的亞禁帶光照參數(shù)[31?34]Table 5.Basic parameters of different wavelengths sub-bandgap illumination[31?34].

使用強(qiáng)度1×10–8W/cm2,波長分別為850 nm,890 nm,940 nm的亞禁帶光照從晶界缺陷濃度5×1014cm–3的CdZnTe 陽極入射.波長分別為850 nm,890 nm和940 nm的亞禁帶光在CdZnTe晶體中的穿透深度分別為1.2 mm,4.6 mm和9.2 mm,均大于CdZnTe 晶體的厚度[31,32].其電場分布如下圖4(a)所示,850 nm的光照下,死區(qū)的電場改善最大,晶界電場畸變最小.因此對于不同亞禁帶波長,850 nm 波長的亞禁帶光照對于CdZnTe的電場改善最大.

同樣使用波長為850 nm,強(qiáng)度為1×10–7W/cm2,1×10–8W/cm2,1×10–9W/cm2的亞禁帶光照,從晶界缺陷濃度為5×1014cm–3的CdZnTe 陽極入射.其電場分布如圖4(b)所示,1×10–9W/cm2的光照強(qiáng)度下,電場分布沒有變化,依舊存在著死區(qū),而隨著光照強(qiáng)度的增大,對電場的改善增強(qiáng).在強(qiáng)度1×10–7W/cm2的情況下,電場的死區(qū)減小,電場畸變最小.

圖4 100 V 偏壓下的Au/CdZnTe/Au 器件仿真結(jié)果(a)不同波長的亞禁帶光照下電場分布;(b)不同光強(qiáng)的亞禁帶光照下電場分布Fig.4.Simulation results of Au/CdZnTe/Au device under 100 V bias voltage:(a)Electric field distribution under sub-bandgap illumination with different wavelengths;(b)electric field distribution under sub-bandgap illumination with different intensities.

正如上述所討論,亞禁帶光照使得電子在晶界左側(cè)的深施主能級的占有概率增大,晶界右側(cè)的深施主能級占有概率減小,從而晶界左側(cè)的電離概率減小,空間電荷濃度下降,晶界右側(cè)的電離概率增大,空間電荷濃度增大.在亞禁帶光照波長為850 nm,光強(qiáng)為1×10–7W/cm2時,可以進(jìn)一步改善電場分布,CdZnTe 晶體內(nèi)有一個更平坦的內(nèi)部電場.

根據(jù)上述討論,為了便于理解亞禁帶光照對晶界電場分布的調(diào)節(jié)作用,本文總結(jié)提出了如下能帶模型.圖5(a)是熱平衡狀態(tài)下,含有晶界的CdZnTe晶體能帶模型,由于晶界的存在使得在晶界附近形成兩個空間電荷區(qū)和背靠背的肖特基勢壘,晶界處的能帶向上彎曲.同時金屬-半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘,電極附近的能帶向上彎曲.當(dāng)采用亞禁帶光照射時,能帶模型如圖5(b)所示,晶界的勢壘降低.這是由于亞禁帶光的照射,晶界兩側(cè)空間電荷區(qū)減小,所形成的內(nèi)電場會減小,因此能帶勢壘降低.當(dāng)外加偏壓,并且將晶界缺陷濃度增大至5×1014cm–3,其能帶模型如圖5(c)所示,受偏置電壓的影響,能帶從陰極向陽極傾斜.此時,靠近晶界左側(cè)處的空間電荷區(qū)占主要影響,晶界左側(cè)的能帶的傾斜程度較大,而在晶界右側(cè)的能帶近乎于平帶,電場出現(xiàn)死區(qū).載流子在死區(qū)中只能通過擴(kuò)散進(jìn)行輸運(yùn),因此探測器的收集效率將有所降低.使用亞禁帶光照照射的能帶模型如圖5(d)所示,亞禁帶光照會改變載流子在深能級占有概率,電子在晶界左側(cè)的深施主能級占有概率增大,電離減小,能帶傾斜變緩,電子在晶界右側(cè)的深施主能級占有概率減小,電離增大,晶界右側(cè)的能帶不再是近乎于平帶,而是趨向于線性,電場死區(qū)消失,形成更平坦的電場分布.載流子可以通過漂移的方式進(jìn)行輸運(yùn),降低在傳輸過程中被缺陷俘獲或復(fù)合的概率,從而提高探測器的電荷收集效率.

圖5 Au/CdZnTe/Au 器件有無光照的能帶模型(a)無偏壓下無光照能帶模型;(b)無偏壓下有光照能帶模型(c)外加偏壓下無光照能帶模型(d)外加偏壓下有光照能帶模型Fig.5.Energy band model of Au/CdZnTe/Au device with and without illumination:(a)Energy band model without illumination under unbiased voltage;(b)energy band model with illumination under unbiased voltage;(c)energy band model without illumination under applied bias voltage;(d)energy band model with illumination under applied bias voltage.

4 結(jié)論

本文使用Silvaco TCAD 仿真了亞禁帶光照對含晶界的CdZnTe 探測器的空間電荷分布與內(nèi)電場分布的影響.仿真結(jié)果表明,無偏壓下,亞禁帶光照能夠降低能帶勢壘,因此減小對載流子傳輸?shù)淖璧K作用.在100 V 偏壓下,亞禁帶光照通過改變載流子占據(jù)深能級的概率,減小了高晶界缺陷濃度的電場死區(qū)和電場畸變.采用不同亞禁帶光照照射CdZnTe 晶體,當(dāng)亞禁帶光照波長為850 nm 光強(qiáng)為1×10–7W/cm2時,可以進(jìn)一步改善電場分布,CdZnTe 晶體內(nèi)有一個更平坦的內(nèi)部電場,這大大降低了載流子在電荷傳輸過程中被缺陷俘獲或復(fù)合的概率,從而顯著提高了探測器的電荷收集效率.但當(dāng)光強(qiáng)小于1×10–9W/cm2的時候,亞禁帶光照不能改善電場分布.在此基礎(chǔ)上,本文提出了亞禁帶光照對晶體內(nèi)電場分布調(diào)節(jié)的內(nèi)在機(jī)制,以及有無亞禁帶光照條件下含晶界CdZnTe晶體的能帶模型.無偏壓下晶界及電極處的能帶向上彎曲.外加偏壓使得能帶從陰極向陽極傾斜,通過亞禁帶光照能夠降低晶界能帶勢壘,調(diào)節(jié)晶界兩側(cè)能帶.