（材料物理与化学专业论文）硒化镉室温核辐射探测器的表面电极研究.pdf

四川大学硕士学位论文 硒化镉室温核辐射探测器的表面电极研究 材料物理与化学专业 研究生：罗政纯指导教师：朱世富教授 硒化镉( c d s e ) 是直接跃迁宽禁带隙的i i 一族化合物半导体材料。由 于它具有平均原子序数较高，禁带宽度较大，晶体中电子和空穴迁移率较大， 载流子迁移率一寿命积较大等良好的物理性能，使得c d s e 成为种很有前途 的制作室温核辐射探测器的新材料。而在制作c d s e 室温核辐射探测器的工 艺过程中，电极的制备工艺是最为关键的工艺之一。 本文在系统论述核核辐射与物质的作用原理和探测器结构特性基础上， 分析探测器表面电极制备工艺对c d s e 核辐射探测器漏电流、极化的影响， 得到如下创新性结果： 2 4 1 a m 的y 射线与c d s e 单晶材料作用方式主要为光电效应，从理论上 计算出y 射线入射到c d s e 材料的深度及定偏压下的输出脉冲，推断出 a m “1 的y 射线只是在晶片表面与c d s e 的原子发生光电效应，且在一定条件 下所产生的脉冲信号大小为毫伏级。 运用x p s 光电子能谱对湿氧、干氧制备c d s e 晶片表面氧化层的成分进 行分析发现，湿氧钝化后c d s e ( 11 0 ) 表面上形成化合物为s e o x ( x 1 ) ，s e 0 2 、 c d ( o h ) 2 和c d c 0 3 ，生成高电阻的稳定氧化层，出现s e 偏析现象，而于氧 钝化后c d s e ( 1 1 0 ) 表面形成c d s e 本底、过渡态s e o 。( x 1 ) 、c d ( o h ) 2 、以 及吸附的0 2 、c 0 2 、和h 2 0 ，也出现s e 偏析现象。 采用c 和i n 两种电极材料制备出了m s m 、m i s 及单面栅极结构的c d s e 室温核核辐射探测器并进行1 v 测试，结果发现：在m s m 结构中影响探测器 漏电流的因素为电子注入、电极与c d s e 半导体材料的接触势垒和c d s e 接触 婴型查兰堡圭堂垡笙苎 面的表面态，而在m i s 结构中影响探测器的漏电流的因素为c d s e 材料的极 化作用，在制单面栅电极中，影响漏电流的因素是c d s e 材料的表面态。 本研究工作是四川大学材料科学与工程学院承担的国家8 6 3 项目的部分 研究工作。实验研究结果将对c d s e 晶体的室温核辐射探测器和实际开发应 用都具有参考价值。 关键词：硒化镉单晶室温核辐射探测器电极制备极化效应电子注入 漏电流 四川大学硕士学位论文 s u r f a c ee l e c t r o d es t u d i e so ft h ec a d m i u ms e l e n i d e r o o m t e m p e r a t u r e n u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r m a j o r m a t e r i a l sp h y s i c sa n dc h e m i s t r y p o s t g r a d u a t e ：l u oz h e n g c h u n t u t o r ：p r o f e s s o rz h us h i f u c a d m i u ms e l e n i d e ( c d s e 、i sa i i 一c o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rw i t h d i r e c tt r a n s i t i o n , 、) l ，i d e - b a n d g a p d u et oi t sh i g ha t o m i cn u m h e r ( 4 1 ) ，w i d ee n e r g y g a p ( e g = 1 7 e v ) ，h i g ht r a n s f e r e n c eo fe l e c t r o na n dh o l ei nt h ec r y s t a la n dh i g h p r o d u c to fr a t eo ft r a n s f e r e n c ea n dl i f e t i m ee t c c d s ei sr e g a r d e da so n eo ft h e m o s tp r o m i s i n gm a t e r i a lf o rr o o mt e m p e r a t u r en u c l e a rr a d i a t i o nd e t e c t o r s i nt h e p r o c e s so ft h ef a b r i c a t i o no fc d s er o o mt e m p e r a t u r en u c l e a rr a d i m i o nd e t e c t o r , t h et e h n i co f e l e c t r o d ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n c ep r o c e s s e s i nt h i sp a p e r , b a s eo nt h es y s t e m i cd i s c u s s i o na b o u tt h ea c t i o nt h e o r yo f n u c l e a rr a d i a la n dm a t e r i a la n dp r o p e r t yo fd e t e c t o rs t r u c t u r e ，t h ee f f e c to ft h e l e a k a g ec u r r e n ta n dp o l a r i z a t i o no fc d s er o o mt e m p e r a t u r en u c l e a rr a d i a t i o n d e t e c t o rd u r i n gd i f f e r e n c ee l e c t r o d ei nd i f f e r e n c es t r u c t u r ei ss t u d i e da n dt h e i n n o v a t i v er e s u ri sf o u n d t h em a i nw o r k i n gs t y l eo ft h e2 4 1 a myr a yr a d i a t i o na n dc d s es i n g l ec r y s t a l i sp h o t o e m i s s i o na n dt h ew o r kr a n g ei st h ef o l i u mo nt h ec d s es u r f a c et h o u g h t t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n a f t e rt h ea c t i o no fp r o p e rv o l t a g e ，t h ev a l u eo ft h eo u t p u t e l e c t r o np u l s ei so n l yaf e wm i l l i v o l t a g e s t h i sp a p e r , t h r o u g hx r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，a n a l y z e dt h e c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fs u r f a c eo fc d s ea f t e ro x i d i z e da to x y d o la n da th i g h t e m p e r a t u r ei nt h ea i r , a n df o u n dt h a ts u r f a c ec o m p o u n d sa r es e o x ( x o 5 兆电子伏 范围内，d 粒子的吸收曲线可近似用指数函数来表示，即 i = i ” 式中厶表示进入吸收物质前的b 粒子束强度，i 是穿过x 厘米吸收物质后的强度， 1 t 为吸收物质对1 3 粒子的线性吸收系数。单位是厘米一。 四川大学硕士学位论文 2 2 2 重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子是指质量比电子质量大得多的那些带电粒子，例如n 粒子、质 子和氘核等。重带电粒子通过物质时，主要是和物质原子的壳层电子发生库仑 作用而使原子电离和激发。因此，电离损失是它们通过物质时能量损失的主要 方式。重带电粒子在物质中除了因电离和激发而损失能量以外，还存在由核反 应及核的库仑碰撞所引起的能量损失。但对于能量不太高的p 、d 、d 来说，由 这两种效应引起的能量损失与电离能量损失相比较可以忽略不计( 在大于1 k 兆 电子伏的高能情况下，应考滤核反应的能量损失) 。 带电粒子在原子核库仑场中得到加速度与质量的平方成反比，即 l 一警l 射彪z 。所以重带电粒子的轫致辐射能量损失显然是可以忽略不计 的。 只有能量高达1 0 ”电子伏以上时，重带电粒子的轫致辐射才成为重要的。 重带电粒子的散射现象也不很明显，散射角一般都很小。 ( 1 ) 重带电粒子的电离损失 重带电粒子在通过单位长度路径时的电离能量损失，由理论推得 卜d 差) , , 4 r r e 4 2 2 n z 。 m 尚j l m 币丽邓i 式中z 和v 分别为重带电粒子的电荷数和速度，其它物理量与其它式相同。 可看出：( 1 ) 重带电粒子的电离能量损失与它的电荷数z 成正比；( 2 ) 重 带电粒子的电离能量损失与粒子本身质量无关；( 3 ) 当入射粒子速度不很高时， 电离损失率与速度的平方成反比，能量越低损失越大。( 4 ) 重带电粒子的电离 损失率与物质的电子密度n z 成正比。 ( 2 ) n 粒子的吸收和射程 重带电粒子例如a 粒子在通过物质时的情况与b 粒子不同，因此它们的路 径差别也很大；( 1 ) 由于多次散射的影响，1 3 粒子的路径是弯弯曲曲的，而1 3 的路径近乎一条直线，只是在它路径末端略有一些弯曲；( 2 ) b 粒子通过物质 时的吸收近似地成指数衰减，即使对于初始能量完全相同的电子，在吸收物质 中也没有固定的射程，而对于一束单能a 粒子，它们在物质中的射程几乎相同。 四川大学硕士学位论文 a 粒子的射程与它的能量有关， 下面的经验公式来换算。 r 。= s 2 ，。4 垣p r 能量越大，射程也越长。在物质中的射程可用 式中r 。为d 粒子在某吸收物质中的射程，单位是厘米；p 为吸收物质的密 度，单位是克立方厘米；a 是吸收物质原子的质量数。 n 粒子在空气中的射程一般只有几个厘米，在铝中的射程只有几个微米， 所以a 粒子很容易被物质吸收。 2 2 3y 射线与物质的相互作用 从原子核衰变放出的y 射线是一种高能的光予流。它是一种不带电的中性 粒子，与x 射线性质相同，也是电磁波，只是波长更短。y 光子与物质作用时 不像带电的粒子通过连续碰撞而慢慢损失能量的，而是趋于在一次碰撞中失掉 大部分或全部能量。另外，它不像带电粒子那样直接使物质原子电离或激发， 而是通过所产生的次级电子引起物质原子的电离和激发。不同的放射性核素放 出的y 射线能量差别很大，一般在几千电子伏到几兆电子伏之间。这样能量范 围内的y 射线与物质的相互作用主要有下列三种类型：( 1 ) 光电效应；( 2 ) 康 普顿效应：( 3 ) 电子偶的产生。在光子能量较低时，光电效应起主导作用。当 光子能量到达i 兆电子伏时，康普顿效应占优势。电子偶的产生则在光子能量 超过1 0 2 兆电子伏时才开始发生，能量越大，效应越显著。 ( 1 ) 光电效应 当一个光子和原子相碰撞时，它可能将自己的全部能量交给个壳层电子， 使它脱离原子而运动，光子本身则整个被吸收。由于这种作用而释放出来的电 子主要是k 壳层电子，也可以是l 壳层电子或其它壳层电子，它们统称为光电 子。这种效应称为光电效应。为了把壳层电子变为自由电子，必须克服核对它 的吸引力，也就是要给它电离能。因此，y 射线的能量h v 一部分损耗在电离能 e ，上，其它部分则转化为光电子的动能，即 e = h v - g , ( z = k l ) 式中e 。表示i 壳层移去一个电子所需的能量；h v 为入射光子的能量，其中 h 为普朗克常数，v 是光子频率；e 。为光电子的动能。 四川大学硕士学位论文 y 射线通过每单位距离的吸收物质时，因光电效应而导致的y 射线的强度 的减弱，可以用光电效应线性吸收系数p 。表示，显然1 1 ，的大小直接反跌光子 在通过单位距离物质时产生光电效应几率的大小。u 。以一种复杂的形式随光子 能量和吸收物质的原子序数变化。当e = m c 2 的情况下，1 1t 可粗略地表示为 从o c n z 4 - 5 矽 式中n 为每立方厘米吸收物质中的原子数，z 是吸收物质的原子序数，e r 表示入 射光子能量。 ( 2 ) 康普顿效应 康普顿效应实质上是光予和原子中的一个电子的弹性相互作用。在这作用 过程中，光子只能将自己的一部分能量传给电子，电子则从原予空间中以与光 子的初始运动方向成巾角的方向射出，与此同时光子本身则改变了频率并朝着 与自己初始运动方向成0 角的方向射出。 y 射线通过单位距离吸收物质时，因康普顿效应而引起的y 射线强度减弱， 以康普顿吸收系数ps 表示。在h v = m e c 2 时 “丝f i n 堡+ 三i ( 2 2 3 - 3 ) 以“i 【一m + - j 心互”ec2 由上式可知，康普顿效应的吸收系数与物质的原子序数成正比。 ( 3 ) 电子偶的产生 当光子能量大于两个电子静止质量( 即大于1 0 2 兆电子伏) 时，在原子核库仑 场作用下，入射光子能量可能全部被吸收而产生对电子一个正电子和一 个负电子。能量2 m c 是这个过程的阈能。如果入射光子的光子能量超过1 0 2 兆 电子伏时，其多于能量则转化为正电子和负电子的动能，它们的关系是 e + + 巨一= ( h v 一1 0 2 ) m e v ( 2 2 3 - 4 ) 式中e 。+ 和e o - 代表正负电子的动能。 y 射线通过单位距离吸收物质时，因电子偶生成而引起的y 射线强度减弱，以 电子偶线性吸收系数“。表示，其与原子序数的关系如下式 胁o r s n z 2 i n h v ( 2 2 3 - 5 ) 四川大学硕士学位论文 综上所述，y 射线与物质三种相互作用的形成都与y 射线能量和物质的原 子序数有关。不同能量的y 光予通过原子序数不同的物质时，三种效应的作用 相差很大。对于低能光子和高原子序数的吸收物质，光电效应占优势；电子偶 效应主要发生在高能光子和高原子序数物质中；对于能量在1 - 4 兆电子伏范围 内的y 射线，康普顿效应占主要地位，而且与物质的原子序数几乎无关。 ( 4 ) y 射线的吸收 当一束被准垂直了的窄束y 射线通过物质时，由于有了光电效应、康普顿 效应和电子偶生成等各种作用，它的强度将随吸收物质的厚度增加而减弱。y 射线通过吸收物质时是按指数规律衰减的。y 射线强度和吸收物质厚度的关系 可用下式表示，即 = i 一9 或i = i ” 式中厶表示进入吸收物质前的y 粒子束强度，i 是穿过x 厘米吸收物质后的强度， “为吸收物质对v 粒子的线性吸收系数。单位是厘米。表示y 粒子穿过吸收 物质的质量厚度，单位为克平方厘米( x m = x g o ) ，u 表示吸收物质的总质量 吸收系数。 当一束y 射线穿过物质时，光子与物质发生上述三种作用是有一定的几率 的。质量吸收系数1 t 。和原子截面的关系可用下式来表示 以= i n ( 什厉+ r ) = 等( f + 厉+ r ) 式中t 和k 分别为光电效应和电子偶效应的原子截面；o 是吸收物质原子中一 粒电子的康普顿截面，n a 为阿佛伽德罗常数。 2 3核辐射与o d s e 材料的作用 2 3 1 脉冲的形成 c d s e 材料的电阻率为1 0 6 1 0 9 q c m ，则可称为半绝缘体。通常价电子都处 于满带里，并且由热运动给出的动能不可能使满带电子跃到导带中去。但是当 核辐射射线射入c d s e 单晶材料时，由于晶格原子的电离碰撞，传递给价电子以 足够的能量，因而可以使这些电子跃到导带，变成自由电子。与此同时，在满 四川大学硕士学位论文 带中也相应地出现了数目相等的空穴，这些自由电子和空穴( 即载流子) 在外 加电场的作用下，分别向两极漂移，在漂移过程中，电极产生了电压脉冲。 2 3 2 脉冲的大小 先来看单个电子运动情况，按照欧姆定律，电子在电场e 中的漂移速度为 咋= 以占 ( 2 3 2 1 ) 式中u 是迁移率。 则电子在被俘获前所走的平均距离为f ze = t 一= t e 雒e e ( 2 3 2 2 ) 乞为自由电子在晶体中存在的平均寿命。此式表明，电子的平均位移随电场强 度的增大而增大，因为速度大的自由电子不容易被电子陷阱所俘获。显然如大 于晶块厚度d ，则大部分电子将能达到阳极，如乞小于d ，则大部分电子将被 陷阱俘获。 假定空穴对输出脉冲没有贡献，则在乞= d 的条件下，一个电子在阳极上产生 的感应电荷为 g = e ，。d ( 2 3 2 3 ) 因此，c 为探测器的固有电容，在探测器电极上产生的脉冲高度为 矿：塑丝 c d 则假定空穴也以脉冲有贡献，则输出脉冲高度为 矿：! 型! 丝盟 c d ( 2 3 2 4 ) ( 2 3 2 5 ) 式中和分别相应于电子和空穴通过的平均距离，并且n + 屯) d 。但在一般 情况下要比乞小得多，故可忽略不计。 四川大学硕士学位论文 应该指出，咀上公式只是在厶远小于d 时才近似地成立。如果可与d 相 比较，则大部分电子能落到阳极上，并且进一步增加电压将产生饱合效应。假 定入射粒子是在阴极附近被晶体吸收，则输出的脉冲为嘲 肌盟c d 卜刁 lj ( 2 3 2 6 ) 很显然，当远小于d 时，此式可近似3 2 - 4 。由上式可知，矿= ! 等时， 脉冲振幅达到饱合值。此时，阴极附近产生的所有电子全部被阳极收集。 假定入射粒子不是停在阴极附近，而是穿过整个晶体，并且在路径中产生 的自由电子有均匀的密度分布，则自由电子的平均位移等于d 2 ，而脉冲振幅饱 合值为矿= e 2 n c o 。此时，矿与去之间有以下关系唧： 矿= 一e n o , c 1l 小 ( 2 3 2 7 ) 可3 2 6 、3 2 7 两式可看出，不管入射粒子停在阴极附近，或穿过整个晶体， 其输出脉冲与电子位移之问的关系最为密切。很多情况下，电子位移甚至可能 小到相应3 2 7 式的脉冲，振幅低于放大器的噪音，此时脉冲不再能被计录。只 有在极纯的晶体中，l 才能达到较大值。 此外，还可看出，y 与n o 有关，而与产生一对电子一空穴所消耗的平均能 量占有关嘲。 o ：旦 ( 2 328 ) r 式中e 为入射粒子在探测器中的损耗能量。 2 3 3a m 的y 射线与c d s e 单晶材料的作用 2 4 1 a m 的y 射线与c d s e 单晶材料作用，由于e = 5 9 5 k e v ，小于l 兆电子 伏特，属于低能光予，因而y 射线在c d s e 材料中产生电子空穴对的主要方式为 光电效应。则由2 3 1 2 式可知1 = o e 中的u 值极大。当i = 占。j 。= 瓦。时， 四川大学硕士学位论文 即玩。= 5 9 5 k e y 时， 由8 一m = i o 可知，x 的值很小。由此可知，2 4 1 a m 的_ r 射线只是在晶片表面 与c d s e 的原子发生光电效应。也正是如此，制备探测器表面电极的工作就显得 十分重要。 那么2 4 1 a m 的y 射线在晶片产生自由电子和空穴对n o 可通过2 3 2 8 式进 行估算。这里假定c d s e ( 1 1 0 ) 方向的晶片1 0 1 0 i m m 3 用于制备核辐射探测 器，并假定给探测器上加上偏压为3 0 0 v 直流，两电极为平板电极，则2 4 1 a m 的 y 射线是不会穿过晶片的。 可用下列公式来进行换算自由电子和空穴的电子平均位移。 厶= r , v = r e l t e e 厶= “y = r h z h e e = u | d 通过换算可得和厶分别2 1 6 c m s 和0 2 2 5 c m s 。由此可知，空穴也对输出 脉冲作贡献。因此探测器产生的脉冲高度由下列两式算出，其中c d s e ( 11 0 ) 方向的s ，= 9 , 2 5 s o f i o o v = e n 。( ，。+ ， ) c d c = e r s | d 通过换算可知，a v 为几个毫伏。 以上情况为理想情况，其中没有考滤到制各电极方面。电极的制备对电子 的收集，电子注入、极化效应、噪声消除及信号的产生都有着十分重要的影响。 四川大学硕士学位论文 第三章m i s 结构与m s 结构的电子输运 3 1m s 结构的电子输运 3 1 1 理想的m s 结构【1 2 】 当金属与n 型半导体接触时，若 w 。 、7 l ，s ，则在半导体表面形成一个 正的空间电荷区，其中电场方向由体 内指向表面，v 。 w ) 高阻的区域常称为阻挡层。若w 。 w 。，则金属与n 型半导体接触时，电子将 从金属流向半导体，在半导体表面形成负的空间电荷区。其中电场方向由表面 指向体内，v 。 o ，能带向下弯曲。这里电子浓度比体内大得多，因而是一个高 电导的区域，称之为反阻挡层。其平衡时的能带图如图1 1 1 所示。反阻挡层是 很薄的高电导层，它对半导体和金属接触电阻的影响是很小的。所以，反阻挡 层与阻挡层不同，在平常的实验中觉察不到它的存在。 金属和p 型半导体接触时，形成阻挡层的条件正好与1 1 型的相反。当w 。 w 。时，能带向上弯曲，形成p 型反阻挡层；当队w 。 w ) ；( b ) p 型反阻挡层( w i 0 ) 时的情形， 半导体一边的势垒由g = 一g ( k ) 。降低为一g i ( 1 ) 。+ vi 。这时，从半导体到金 属的电子数目增加，超过从金属到半导体的电子数，形成一股从金属到半导体 的正向电流，它是出n 型半导体中多数载流子构成的。外加电压越高，势垒下 降越多，正向电流越大。而当反向电压( 即y o ) 时的情形。这时势垒增高为 一g l ( k ) 。+ 矿l 。从半导体到金属的电子数目减少，金属到半导体的电子流占优 势，形成一股由半导体到金属的反向电流。由于金属中的电子要超过相当高的 势垒g 才能到达半导体中，因此反向电流是很小的。这种形成整流作用的接 触称为肖特基接触。 而别一种非整流接触是欧姆接触也是一种重要的金属一半导体接触。欧姆 接触是指这样的接触：它不产明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡 载流子浓度发生显著的改变。从电学是讲，理想的欧姆接触的接触电阻与半导 体样品或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆技触上的电压降应当远小 于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流一电压特性，或者酷， 电流电压特性是由样品的电阻或器件的特性决定的。在实际中欧姆接触也有 很重要的应用。半导体器件般都要利用金属电极输入或输出电流，达就要求 在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。 3 2m i s 结构的电子输运 3 2 1 理想的m i s 结构【1 2 j m i s 结构是由中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，由于m 1 s 结构实际就是一个电容，因此当在金属与半导体之问加电压后，在金属与半导 体相对的两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，电荷分布情况亦很不 同。在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原予层的厚度范围 之；而在半导体中，由于自由载流子密度要低得多，电荷必须分布在一定厚度 的表面层内。这个带电的表面层称做空问电荷区。在空间电荷区内，从表面到 内部电场逐渐减弱，到空间电荷区的另一端，场强减小到零。另一方面，空间 电荷区内的电势也要随距离逐渐变化这样，半导体表面相对体内就产生电势差， 四川大学硕士学位论文 同时能带也发生弯曲。 3 2 2 表面态、表面势和空间电荷分布 以上提过的表面态，是由于半导体表面悬挂键所引起的。当晶格的不完整性 使势场的周期件受到破坏时，则在禁带中产生附加能级。欧姆在1 9 3 2 年首先提 出：晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，同样也应引起附加能 级。这种能级称为欧姆表面能级。而在实际晶体表面上往往存在着微氧化膜或 附着其它分子和原子。表面态的概念还可以从化学键方面来说明。因晶格在表 顽处突然终止，在表面的最外层的每个原子将有一个末配对的电子，即有一个 未饱和的键，这个键称作悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。由于悬挂 键的存在，表面可与体内交换电子和空穴。例如，n 型硅情形，悬挂键可以从体 内获得电子，使表面带负电。这种负的表面电荷可排斥表面层中电子使之成为 耗尽层甚至变为p 型反型层。 以k 表示表面势，假定表面势比内部高时，k 取正值，反之k 取负值。表 面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加的电压吆而变化， 基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况。对了p 型半导体三种情况如图所 u ，据 k 一幢啡 l 咱：l ”i 铲一u 尊一 由p 型半导体构成的理想m is 结构在各种下的表面势和空间电荷分布 ( a ) 多子堆积；( b ) 多子耗尽；( c ) 反型 四川大学硕士学位论文 示，以下分别加以说明。 ( 1 ) 多数载流子堆积状态当金属与半导休间加负电压( 指金属按负) 时表 面势为负值，表面处能带向上弯曲，如3 2 2 一l ( a ) j y ? 示。在热平衡情况下，半导 体内费米能级应保持定值，故随着向表面接近，价带项将逐渐移近甚至高过费 米能级，同时价带中空穴浓度也将随之增加。这样，表面层内就出现空穴的堆 积而带正电荷。从图中还看到，越接近表而空穴浓度越高，这表明堆积的空穴 分布在最靠近表面的薄层内。 ( 2 ) 多数载流子耗尽状态当金属与半导体间加正电压( 指金属按正) 时， 表面势班为正值，表面处能带向下弯曲，如图3 2 2 1 所示。这时越接近表面， 费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低。在靠近表面的一定区域内， 价带顶位置比费米能级低得多，根据玻耳兹曼分布，表面处空穴浓度将较体内 空穴浓度低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。 ( 3 ) 少数载流子反型状态当加于金属和半导体间的正电压进一步增大时， 表面处能形相对于体内将进一步向下弯曲。这时，如图3 2 2 - 1 ( c ) 所示，表面处 费米能级位置可能高于禁带中央能量e ，也就是说，费米能级离导带底比离价 带顶更近一些。这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导 体衬底导电类型相反的一层，即反型层。 3 3c d s e 探测器的电极制备结构 通常核辐射探测器使用两种类的电极制各工艺，其一为两电极为欧姆接触， 即光电导型探测器；另一类就是势垒型探测器。以下对两种类型探测器的制备 进行简介。 ( 1 ) 光电导型探测器。而要制备这种探测器的话，就要要求探测器材料 的均匀一致性好，电阻率高。一致性好就是要求制备探测器的材料空位少而减 小形成材料内部内建电场的机率。电阻高则是要求制备探测器材料的体漏电流 小。此类型的探测器材料如t t g i 。就是一例。当核辐射与材料发生作用时，材料 本身可以认为是一个光电导材料，即材料的电阻发生变化，从而使加固定偏压 后，电流发生改变。通过记录电流的变化来统计核辐射与材料发生作用后产生 光生载流子的变化。 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 势垒型探测器，这种探测器是通过加偏压使得材料内部形成一个耗 尽层，当核辐射经过材料时，与材料的原子作用而产生光生载流子，即电子空 穴对。在外部偏压电场的作用下，电子和空穴向两边的电极移动，从而使得探 测器两极产生一定偏压。这类探测器是通过这个偏压的变化来流计核辐射与材 料发生作用后产生光生载流子和变化。 而c d s e 材料作为i 卜族化合物，其两个组成元素又往往具有不相等的蒸 气压，因此制备符合化学计量比的、完整性好的单晶体十分困难。这种化合物 材料偏离化学计量比的一个直接结果是在晶体中形成高密度的点缺陷，这些缺 陷往往作为施主或受主引起材料电阻率的变化。电阻率为1 0 6 1 0 9 qc m ，与c d t e 材料的电阻率相当，但由于c d s e 材料是单极性材料，而c d i e 为非单极性材料。 按文献中提出低阻n 型c d e 单晶体可以以a u 和i n 依次构成m s - m ( 金属一半 导体一金属) 的势垒接触和欧姆接触的探测器。所以c d s e 也可以制备m s - m ( 金 属一半导体一金属) 的探测器，同时也正是由于c d s e 是n 型材料，也可以制各 为m i s 结构的探测器。 四川大学硕士学位论文 第四章0 d s e 探测器的表面钝化 由于c d s e 的表面漏电流较大，因此表面钝化处理是重要的，表面的组成 和稳定性对于器件性能影响，成为重要的研究方向。同时要制备m i s 结构的探 测器时，晶片表面氧化后，所形成的物质同样也对c d s e 核辐射探测器的电输运 特性有着十分重要的影响。 4 1 c d s e 探测器的表面湿氧钝化工艺 本次研究用的c d s e 单晶为气相法生长的，杂质含量低，晶体的位错密度为 1 0 4 c m 。在晶体解理面的方向取一块2 m m 厚的样品来进行实验。 对样品运用金刚石砂纸进行粗磨，得到较平的晶面后，再经氧化铝粉配成 的抛光液进行机械抛光，乙醇清洗。先对c d s e 单晶样品的晶面定向。用单晶衍 射谱( x r d ) 来推断。这次实验中，使用y 4 q d 0 1 型衍射仪来进行测试，波长 值为1 5 4 1 7 8 ，起始角为1 0 度，终止角为9 0 度。 机械抛光后，再用0 5 的溴甲醇溶液3 0 秒钟进 行化学抛光，后再用乙醇 清洗。最后再将样品置于 5 的双氧水中进行湿氧 钝化4 0 分钟，然后再放入 乙醇中保留。后送入光电 子能谱仪中测试。能谱数 据都是在x s a m 8 0 0 光电 子能谱仪系统上采集的， 用m g k 。辐射为光电子激 发源( 能量为h v = 图4 卜1c d s e 晶片( 1 1 0 ) 面的x r d 1 2 5 3 6 e v ) ，通能为5 8 7 e v ；采样面积为8 0 0 毫米直径的斑点；采样时，样品室 的压力低于4 1 3 3 3 3 2 1 0 - 1 0 p a 。取c l s 峰的结合能来扣除荷电效应引起的能 量位移。 4 2c d s e 表面钝化后x p s 分析 四川大学硕士学位论文 4 2 1c d s e ( 1 1 0 ) 晶面的湿氧钝化的x p s 分析 ( 1 ) x p s 的f r r 模式和f a t 模式分析 岔2 5 0 0 0 o 2 0 0 0 0 02 0 0 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 be ( e v ) a f t e rc h a r g e s h i f tc o r r e c t i o n50 0 0 e v ( f i 9 2 - a ) 图4 2 卜1c d s e ( 0 0 1 ) 晶片的f r r 模式的x p s 能谱图 对处理后的晶片用固定减速比( f r r ) 模式来分析晶片表面情况。所得图 谱如图4 2 1 1 所示。然后再用固定通能比( f a t ) 模式来分析晶片表面情况， 所得图谱如4 2 1 2 所示。 b e ( e v ) a r o r c h ar g e s h 讯c o r r e c m o n50 0 0 e v 图4 2 1 - 2c d s e ( 0 0 1 ) 晶片的f a t 模式的x p s 能谱图 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) f r r 分析谱中各能级峰分析 在f r r 模式所得的图谱中分别取出c d 、s e 、o 的结合能峰，并对每个元 素结合能峰进行分析。因为c d 3 d 5 ，2 结合能位移在不同化学环境下的变化不大， 因而不能从c d 的结合能入手来判断c d 的化合物。但氧化态的s e 3 d s 尼峰的化学 位移较大，可以用s e 3 d 5 ，2 峰来区别被氧化的s e 和c d s e 中的s e 以及元素态的 s e ，我们就从s e 3 d 5 ，2 峰开始分析。 如图4 2 1 3 a ，b 两图所示，s e 3 d 5 ，2 峰对应的结合能为5 4 0 e v ，其能量介于 ”“ 蔫1 ”8 嚣x _ ：出：”。”巷e 函器器毒r 嚣：嚣i j 嚣2 7 5 0 州6 0 b ea f t e r c h a r g e s h i r27 5 c e v ( a ) b ) ” 脚) c 叩m 嘶 h e 叫删驴一t z ，a 呻h w 图421 - 3s e 3 d s m 峰及拟合峰图 s e 2 + ( 5 4 5 5 e v ) 和过渡态s e ( 5 3 5 4 e v ) 之间，因而可以推断产物不可能有单质态 岱5 a5 2 7 翳锄跏1 蹴5 3 35 3 4 辚描娜岱踊$ 2 75 2 8 锚5 3 05 3 1 25 5 3 45 3 6 疆研 b e 忙岫 i 旨口日妒日讯。口佣c 咖z 7 s o 州a )r e 忙j 阳。c t n g d t t c o r r e c 缸n z t , s g e 叫b ) 图4 2 1 - 4 0 1s 峰及拟合蜂图 四川大学硕士学位论文 s e o ( 5 5 5 6 e v ) 、四价s e 4 + ( 5 8 - q s o e v ) 和六价s e 6 + ( 6 0 - q 5 2 e v ) ，即产物不可能有s e 0 2 、 c d s e 0 3 和s e 0 3 、c d s e 0 4 以及单质态s e 。再对s e 3 d 5 ，2 峰解谱得到两个峰位，如 图4 2 1 3 b 所示，结合能为5 3 7 4 e v 和5 4 5 8 e v ，分别对应于s e o 。( x 1 ) 和s e o 。 然后对o l s 峰进行解谱，如图4t 2 1 - 4 a 、b 图所示。我们发现存在四个峰位， 结合能依次为0 1 ( 5 3 0 4 1 e v ) 、0 2 ( 5 3 1 3 4 e v ) 、0 3 ( 5 3 1 4 1 e v ) 、0 4 ( 5 3 2 5 9 e v ) 。其中 0 4 ( 5 3 2 5 9 e v ) 显然对应吸附态的0 2 ，而0 2 、0 3 结合能非常接近，根据相关文 图4 2 1 5c d 3 d s n 峰及拟合峰图 献【1 3 】，我们认为分别对应c d ( o h ) 2 ( 5 3 1 3 4 e v ) 和c d c 0 3 ( 5 3 1 4 l e v ) 中的0 ，至于 0 1 ( 5 3 0 4 1 e v ) 则来源于s e o 和s e o 。( x 1 ) 中0 的贡献。由于不存在5 2 9 6 e v 的 氧峰，所以没有与之相对应的c d o f l 制。 d10 020 03 0 0o05 0 080 070 0e 0 0口0o10 0 01 10 012 0 0 be ( ev ) a f l ercha f 口esh i f tco f r ec t i on5 00 0 ev ( f i 口1 一日) 图4 ，2 2 - 1c d s e ( o oj ) 晶片的f t 模式的x p s 能谱图 炎 k 一 叫引 “l 宴袖 见一 四川大学硕士学位论文 最后试着对c d 3 d 5 ，2 峰解谱，得到两个峰位，分别为c d ( o n ) 2 i t s ( 4 0 4 4 8 e v ) 和c d c 0 3 ( 4 0 4 8 9 e v ) ，如图4 2 1 5 a 、b 图所示。 由以上分析可知，在湿氧条件下钝化，c d o 利于转化成c d ( o i i ) 2 和c d c 0 3 ， 而h 2 s e 0 3 、h 2 s e 0 4 与c d ( o h ) 2 、c d c 0 3 反应的产物c d s e 0 3 、c d s e 0 4 易溶于水， 不会存在于晶片表面。 4 2 2c d s e ( 0 0 1 ) 晶面的干氧钝化工艺及x p s 分析 将确定晶面方向的样品重新抛光、清洗，去除表面介质层和吸附的杂质， 得到新鲜的c d s e 表面，然后在空气中温度1 2 0 。c 条件下氧化处理1 小时，将氧 化处理后的样品送到光电子能谱仪中做x p s 分析。图4 2 2 - l 是用射线源为m g 靶，采集方式为固定通能模式( f a t ) 收集到的光电子能谱图。 再分别从图谱中分别取出c d 、s e 、0 的结合能峰，并对每个元素结合能峰 进行分析。如上所述，也是因为c d 3 d 5 ，2 结合能位移在不同化学环境下的变化不 大，因而不能从c d 的结合能入手来判断c d 的化合物。但氧化态的s e 3 d 5 ，2 峰的 化学位移较大，我们就从s e 3 d 5 ，2 峰开始分析。 如图4 2 3 2 a ，b 两图所示，s e 3 d 5 ，2 峰对应的结合能为5 3 8 e v ，其能量介于 图4 2 2 - 2s e 3 d 5 2 峰及拟合峰图 s j 。( 5 4 0 5 e v ) 和过渡态s e ( 5 3 5 4 e v ) 之间，再对s e 3 d 5 ，2 峰解谱得到两个峰位，如 图2 - d 所示，结合能为5 3 7 4 e v 和5 4 7 e v ，分别对应于s e o 。( x 1 ) 和c d s e 。 然后对o l s 峰进行解谱，如图4 2 2 ，3 a 、b 图所示。我们发现存在四个峰位， 四川大学硕士学位论文 结合能依次为0 1 ( 5 3 1 3 2 e v ) 、0 2 ( 5 3 1 8 7 e v ) 、0 3 ( 5 3 2 5 9 e v ) 、0 4 ( 5 3 3 4 e v ) 。其中 0 3 ( 5 3 2 5 9 e v ) 和0 4 ( 5 3 3 4 e v ) 显然对应吸附态的0 2 和h 2 0 ，而0 2 结合能峰，我 们认为分别对应c d ( o h ) 2 ( 5 3 1 3 4 e v ) 的o ，至于0 1 ( 5 3 1 3 2 e v ) l j 来源于s e o 和 s e o 。( x 1 ) 中。的贡献。 “e 嚣”蒜，溢嚣n 器。慧z 蒜嵩” 图4 2 2 - 30 1 s 峰及拟合峰图 最后试着对c d 3 d 5 ，2 峰解谱，得到两个峰位，分别为c d ( o h ) 2 ( 4 0 4 4 8 e v ) 和 c d s e ( 4 0 5 1 e v ) ，如图4 2 2 4 a 、b 图所示。 由以上分析可知，在于氧条件下钝化，晶片表面的产物分别为c d s e 本底、 过渡态s e o x ( x 1 ) 、c d ( o h ) 2 、以及吸附的0 2 、c0 2 、和h 2 0 。 ”1 e 篡，c 赫。筛c 。：；”。 “ ”。嚣，) 纂，c 揣。黼c 。怒n ：；，s 瀛。) “ 图4 2 2 - 4c d 3 d 5 2 峰及拟台峰图 四川大学硕士学位论文 4 2 3 钝化后的c d s e 晶片表面元素定量分析 x 射线光电子能谱反映原子含量或浓度。测量谱峰强度，即是测量谱峰面 积，便可定量分析。测量样品中元素的绝对浓度相当困难，也不准确，往往是 测量样品中元素的相对含量。在分析表面几个原子层的技术中，x p s 是最有用 的定量分析技术。假定样品在1 0 0 2 0 0 a 深度内是均匀的，其强度( 每秒钟所检 测的光电子数) 由下式给出： i = n f 叩y a t 2 ( 4 2 _ 3 一1 ) 式中n 是每立方厘米的原子数，f 是x 射线通量( 光子每平方厘米秒) ， 盯是光电截面c 珊2 ，p 是x 射线和出射光电子的夹角，y 是光电产生率( 光电 子光子) ，a 是被测样品面积( c m 2 ) ，t 是检测系数，a 是光电子的平