Instruments and Methods in Physics Research A428, (1999), p. 8-13

Аннотация:

В последние несколько лет достигнуты значительные успехи в разработке и создании базы данных по физическим свойствам детекторов Cd_xZn₁._xTe (CZT) (х=0.1 - 0.2). Соединение CZT является прекрасным материалом для создания детекторов изображений и спектрометров, работающих при комнатной температуре в интервале энергий 10 - 200 кэВ. Для получения материала детекторного качества необходимо высокое кристаллическое совершенство и объемное сопротивление выращенного слитка. Обработка поверхности во время изготовления детектора играет решающую роль, определяя при этом, качество контактов и поверхностные доки утечки. Данная работа представляет результаты исследований поверхности и контактов, направленные на изучение таких эффектов, как приготовление поверхности до нанесения контактов (полировка, химическое травление), выбор металла в качестве контакта, технология нанесения контактов и окисление поверхности. Для изучения влияния различных обработок поверхности использовалась техника отображения фотопроводимости.

Введение:

Хотя основным применением CZT-материала является изготовление полупроводниковых детекторов, работающих при комнатной температуре, существует еще две значимые технологические области их применения: (1) - использование CZT-кристаллов в качестве основы для инфракрасных детекторов и (2) - развитие детекторов ядерных излучений на основе CdTe [1]. Большое количество публикаций по данным тематикам показывает одно, что перед изготовлением детектора CZT-кристалл должен быть тщательно исследован.

Граница металл/полупроводник является важнейшей областью исследований, в которой химические процессы, взаимная диффузия металла и полупроводника, образование дефектов и их взаимодействие определяют качество будущего детектора. Для изготовления детектора с высокой эффективностью и чувствительностью, прежде всего, необходимо решить контактные проблемы. Наиболее часто встречающейся проблемой, является несоответствие активного объема детектора его геометрическому объему даже при наличии высокоомного материала и приложении высоких напряжений смещения. Максимальное электрическое поле, обычно, наблюдается около катода, это может быть объяснено тем, что в данном случае катод является инжектирующим контактом и возникновение эффекта образования пространственного заряда [2]. Следует отметить, что термообработка в процессе либо после нанесения контактов улучшает свойства детектора [3], но физический механизм этого явления пока полностью не изучен. Роль поверхностного оксида, образующегося как на боковой поверхности детектора, так и на границе металл/полупроводник начала изучаться сравнительно недавно [4]. Однако, механизм по которому оксид влияет на свойства детектора и оптимизация процесса его нанесения уже полностью реализованы. В данной работе будут представлены последние достижения в области детекторов CdTe, CdZnTe, a также новые результаты, касающиеся обработки поверхности CZT.

Для того чтобы избежать трудностей с описанием сложных пиксельных систем отображения, наши работы были сфокусированы на планарных, симметричных металл/полупроводник/металл системах.

Конструкция контакта:

Основное описание вольт-амперного поведения контакта металл/полупроводник! задается, как [7]

J= J₀[exp(-q VA^-1k^-1T^-1 )-l] (1)

где J - суммарная плотность тока, Jo - величина обратной составляющей плотности тока насыщения, q - заряд электрона, V - приложенное напряжение, А - фактор качества диода, к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. При J » Jo контакт является выпрямляющим (блокирующим) при обратном приложении напряжения смещения, а при прямом - наблюдается экспоненциальный рост тока. Выпрямляющие контакты применяются для получения низких значений токов утечки для рентгеновской спектроскопии. При J « Jo выражение (1) сводится к следующему

J=J0(-q VA^-1k^-1T^-1 ) (2)

что характеризует линейное (омическое) поведение ВAХ котакта. При наличии омического контакта падение напряжения происходит на всем полупроводниковом кристалле, что является необходимым для спектроскопии высокоэнергетичных гамма-квантов.

Вследствие высокого значения подвижности электронов максимальное значение сопротивления можно получить на кристалле р-типа. Материал р-типа также является более предпочтительным для достижения максимального значения произведения µτE. Следующим немаловажным фактором является получение кристалла с максимальным активным объемом, для получения адекватной чувствительности при регистрации излучений высокой энергии. Данные требования наиболее эффективны при использовании омических контактов. Омические контакты, обычно, характеризуются несколько большими значениями токов утечки, по сравнению с барьерными, но при их использовании не происходит образование объемного заряда [8], который серьезным образом искажает внешнее электрическое поле.

Сравнительно недавно получены результаты [9], показывающие, что омические контакты на материале n-типа обладают дополнительными преимуществами, связанными с уменьшением вклада дырочного захвата в характеристики CZT-детектора. Однако данные заключения требуют еще дополнительных экспериментальных и теоретических подтверждений. Технологически на CZT-материал n-типа более просто нанести омические контакты на основе металлов с низким значением работы выхода Ф_m, такие как In и А1. С другой стороны, более низкое значение сопротивления CZT-материала n-типа может ограничить его использование в качестве детектора высокого разрешения в интервале 5-50 кэВ, т.к. высокие значения токов утечки приведут к возникновению шумов.

Для CdTe-материала р-типа нанесение омических контактов связано с определенными трудностями, а многие экспериментальные работы показывают отсутствие какой-либо зависимости характеристик контакта (омичныый/барьерный) от значения работы выхода металла, выбранного в качестве контакта [10], Скорее всего, высота барьера определяется не столько значением работы выхода металла Ф_m, сколько дефектностью поверхности на которую наносится контакт. Аu и Pt являются наиболее используемыми металлами для нанесения контактов на CZT-детекторы, значения их работ выхода равны 4,8 и 5,2 эВ, соответственно.

Высота барьера может быть оценена из следующего выражения

Ф_b=Ф_m-Ф_s (3)

где Ф_m - работа выхода металла, Ф_s - работа выхода полупроводникового материала. Для высокоомного CZT-материала, Ф_s определяется как

где χ - электронное сродство CZT ≈ 4,3 эВ [11],ширина запрещенной зоны 1,6 эВ, уровень Ферми, соответственно, находится на середине ширины запрещенной зоны.

Как было сказано выше, для Pt, выбираемой в качестве металла для нанесения омического контакта на CZT-материал р-типа условие Фm > Ф_s полностью выполняется. С другой стороны, большинство металлов удовлетворяющих условию Ф_m < Ф_s подходит для нанесения омических контактов на CZT-материал n-типа.

Нанесение электрических контактов:

Прежде чем наносить контакты, необходимо подготовить образец, а именно,

устранить поврежденный слой, возникающий во время резки и шлифовки кристалла. Это обычно проделывается при помощи травления в растворе бромистого метанола (2 - 10%) при комнатной температуре (скорость травления - порядка 50 мкм/мин). После травления в течении 1 - 5 мин кристалл промывается в постепенно разбавляемом растворе до окончательной промывки в чистом метаноле. После этого кристалл сушится с использованием сжатого воздуха. Различные отклонения от вышеописанной процедуры серьезным образом влияют на токи утечки [12, 13]. В частности, после травления в бромистом метаноле более предпочтительно провести травление в растворе, содержащем 2%Вг - 20% молочной кислоты в этиленгликоле (BMLB). При этом происходит значительное снижение проводимости поверхности, а также её шероховатости.

Вследствие инертности Аu и простоты его нанесения методами химического осаждения или термовакуумного испарения, большинство исследований сфокусировано на изучение Au-контактов, хотя есть данные, что Pt-контакты обладают лучшими адгезионными свойствами. Однако основным минусом Pt-контактов является то, что их нанесение приводит к несколько большим токам утечки по сравнению с Аn-контактами [14, 15].

Напыленные контакты характеризуются более гладкой морфологией поверхности по сравнению с химически осажденными и испаренными золотыми контактами. При напылении энергия атомов Аu достигает нескольких сотен эВ, этого достаточно для возникновения дефектов на поверхности кристалла и при этом, контакт становится более инжектирующим. Энергия сообщаемая кристаллу при напылении приводит к значительному его нагреву по сравнению с методом термовакуумного испарения. По различным оценкам в процессе нанесения контактов методом напыления температура кристалла может повыситься вплоть до 150°С, чего вполне достаточно для ухудшения свойств CZT-материала [16].

Кроме того, такой температуры может быть достаточно для изменения некоторых граничных фаз, образовавшихся в результате травления, но пока данное предположение не подтверждено экспериментально. Длительная термообработка при 100°С золотых контактов нанесенных методом химического осаждения ведет к улучшению их свойств [14], но значительное превышение этой температуры резко снижает качество детектора. В последнее время ТО при 300°С в течении 30 - 60 мин успешно применяется для In/CdTe/Au детекторов. Такой режим ТО эффективно уменьшает Те-обогащенный слой, остающийся после

травления поверхности в бромистом метаноле. На термообработанных образцах значительно снижаются токи утечки и данный вид ТО введен в технологию изготовления In/CdTe/Au детекторов.

Пассивация поверхности CZT-кристаллов

Некоторые исследования показывают необходимость пассивации поверхности CdTe, CdZnTe кристаллов [13, 18 - 21]. В работе [22] показано повышение межстрипового сопротивления кристалла на три порядка после проведения пассивации. Пассивация поверхности CZT кристалла достигается путем его обработки в водном растворе Н₂О₂ либо бомбардировкой атомами кислорода [23]. Основываясь на диаграмме состояний системы Cd-Те-O было предложено [24] соединений СdТеО₃ как наиболее стабильное, образующееся при окислении поверхности CZT Раствор перекиси водорода (Н₂О₂) формирует оксидный слой толщиной 21-44 нм, полное насыщение этого слоя достигается после 5 минут травления [22]. При помощи Рамановской микро-спектроскопии [25] была идентифицирована доминирующая структура, образующаяся в результате окисления CdTe – ТеО₃^2-. Наблюдаемые, при этом, улучшения свойств детектора, возможно являются результатом перехода электрически проводящей остаточной пленки теллура в структуру с более высоким сопротивлением. Как было сказано ранее такая пленка образуется после травления CZT в растворе бромистого метанола. После нескольких минут травления в Н₂О₂ достигается уровень насыщения, выше которого токи утечки начинают скорее расти, чем падать. Конечно, при этом, существует вероятность образования какого-либо нестехиометричного оксида, хотя на сегодняшний день данных на этот счет не существует. Снижение токов утечки ведет к значительному улучшению свойств детектора при регистрации излучения низкой энергии 5 - 70 кэВ. Например, после атомной бомбардировки поверхности в течении 90 мин энергетическое разрешение детектора на ²⁴¹Am (59,6 кэВ) улучшилось с 6,9% до 4,7% [23].

Отображение фотопроводимости является полезным инструментом при исследовании качества кристалла и поведения контактов CdTe детекторов [26]. Сравнительно недавно данная методика была применена для исследования CZT материала, в частности, для исследования объемных транспортных свойств носителей заряда и распределения электрического поля [27]. Неравномерности фототока интерпретировались как неравномерности морфологии поверхности и произведения µτE, но хотя, при этом, учитывалось влияние контактов, взаимосвязи с методикой подготовки поверхности обнаружено не было.

Для того чтобы прояснить роль окисления поверхности CZT была проведена ТО, чтобы отделить объемный и поверхностный эффекты.

Резюме

За последние несколько лет значительный прогресс был сделан в здании(построении) базы данных физических свойств по детекторному качеству Cd^Zn ^^ Те(CZT) (х = 0.1-0.2) кристаллическим материалом(веществом). Высокая производительность CZT, комбинированная (сочетаемая, объединенная) с его работоспособностью при комнатной температуре делает материал (вещество) превосходный выбор для изображения(построения изображений) и спектроскопии в 10-200 диапазонах энергий кэВ. Для материала детекторного качества, верхняя степень кристаллизации и высокое удельное объемное сопротивление требуются. Подготовка поверхности в течение изготовления детекторов играет существенную роль в определении характеристик контактов и тока поверхностной утечки, которые являются часто доминирующими коэффициентами (множителями, факторами), влияющими(воздействующими) на его рабочую характеристику(эксплуатационные качества). Эта бумага(документ,статья) представляет исследование поверхности и характеристик контактов, нацеленное, устанавливая имущество(результаты,эффекты) шагов подготовки поверхности до замыкания контактов (полировка и химическое травление), выбор металла и технологии нанесения контактов, и процесса поверхностного окисления. Фотопроводимость, отображающая методику(технологию,технику) используется чтобы изучить имущество(результаты,эффекты) различных обработок поверхности на поверхностной рекомбинации. © 1999 Elsevier Наука B.V. Все права защищены.

Ключевые слова: Теллурид цинка кадмия; Электрические контакты; Пассивация поверхности; Фотопроводимость; Поверхностная рекомбинация