（材料学专业论文）cdznte晶体欧姆接触薄膜电极的制备工艺与性能研究.pdf

西北工业人学工学硕士学位论文 摘要 2 0 世纪9 0 年代中后期，发现c d z n t e 晶体是x 射线及y 射线探测最优秀的 材料。与传统的碘化钠闪烁体探头相比，c d z n t e 探头具有很高的探测效率和能 量分辨率，可广泛用于安检、工业探伤、医学诊断、天体x 射线望远镜等方面。 制备c d z n t e 探测器最关键的技术之一就是在c d z n t e 表面制备出欧姆接触薄膜 电极。关于在c d l x z n x t e 晶体表面制备接触电极用导电薄膜，大都是采用蒸发镀 膜技术，膜层与c d z n t e 晶体结合不很牢固。本研究主要开展了在c d z n t e 晶体 上欧姆接触电极的设计选材和磁控溅射方法制备导电薄膜的工艺研究，为 c d z n t e 探测器的制各奠定工艺技术基础。取得的主要成果如下： 理论分析了金属与c d l ，z n 。t e 半导体的接触关系，给出了对金属与半导体形 成欧姆接触产生影响的主要因素：金属、半导体的功函数和半导体表面态，以及 这两种影响因素对接触电阻的影响规律。同时对欧姆接触电阻进行了理论计算分 析。根据影响因素和计算公式分析，选择c u a g 合金作为电极薄膜材料并设计 出电极结构。 在j g p 5 6 0 c 型超高真空多功能磁控溅射镀膜机上，采用直流磁控溅射法在 c d z n t e 晶体上制备出c u a g 合金薄膜，揭示了气体流量、直流溅射功率、励磁 电源功率、工作气压和衬底温度等工艺参数对沉积速率的影响规律。结果表明溅 射功率对沉积速率的影响最大，随溅射功率的增大沉积速率快速增大。射频磁控 溅射法可获得高纯的c u a g 膜，分析了直流磁控溅射法制备的c u a g 薄膜中存 在杂质的原因。薄膜的电阻率受膜厚、薄膜结构特别是杂质的影响很大。研究了 溅射功率、衬底温度和气体流量对c u a g 薄膜与c d z n t e 衬底的附着性能的影响， 发现溅射功率增大对薄膜的附着性能有积极作用。 关键词：碲锌镉欧姆接触薄膜磁控溅射 西北工业大学工学硕士学位论文 一j l 目= = = 1 2 = j _ e = ! = # = 自目e = 2 = ! ! = _ a b s t r a c t c d l x z n x t ec r y s t a lh a sb e e np r o v e d t ob et h em o s te x c e l l e n tm a t e r i a lt od e t e c tx r a ya n dg a m m ar a ys i n c et h e9 0a g e si n2 0 t hc e n t u r y c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l n a ls c i n t i l l a t o rp r o b e ，c d l x z n x t ep r o b eh a sh i g h e rd e t e c t i n ge f f i c i e n c ya n dp o w e r r e s o l u t i o n ，a n dc a n b e w i d e l yu s e di nf i e l d ss u c ha ss e c u r i t ym o n i t o r ，i n d u s t r i a lf l a w d e t e c t i o n ，m e d i c a ld i a g n o s i s ，c e l e s t i a lb o d yxr a yt e l e s c o p ea n ds oo n o n eo f t h e m o s t k e yt e c h n o l o g i e so fp r e p a r i n gc d l x z n x t ed e t e c t o r i st om a k eo h m i cc o n t a c tf i l m e l e c t r o d eo nc d l x z n x t ec r y s t a l ss u r f a c e ，a n dt h em a i nt e c h n o l o g yu s u a l l yu s e di s e v a p o r a t i o n ，b u tt h ec o h e s i o no fe v a p o r a t e df i l mi s n tv e r yf i n n f o rt h ep u r p o s e st o m a k ec d l - x z n x t ed e t e c t o r , o h m i cc o n t a c tm a t e r i a l so fc d , x z n x l bc r y s t a la r es e l e c t e d a n ds t r u c t u r eo fe l e c t r o d ei sd e s i g n e d t h e p r o c e s s i n go fc o n d u c t i n g f i l mp r e p a r e db y t h em a g n e t r o ns p u t t e r i n gi ss t u d i e d t h em a i nr e s u l t sa r el i s t e da sf o l l o w ： t h ec o n t a c tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm e t a la n dc d l x z n x t ei sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ， f i n d i n gt h a t t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n go h m i cc o n t a c ta r ep o w e rf u n c t i o n so fm e t a la n d s e m i c o n d u c t o r , a n ds u r f a c el a y e re f f e c t i v es t a t e sa sw e l l ，a n dm e a n w h i l ei l l u s t r a t i n g t h el a w so ff a c t o r sa f f e c t i n go nt h ec o n t a c tr e s i s t a n c e a c c o r d i n g l y ，m a t e r i a l sa n d c o n s t r u c t i o no fe l e c t r o d ef i l ma r ed e s i g n e d u s i n gj g p 5 6 0 cm a g n e t r o ns p u t t e r i n ge q u i p m e n t ，c u t a gf i l ma r ed e p o s r e do n c d l x z n x t es u b s t r a t eb yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gi no r d e r t og e tt h ei n f l u e n c e so f t h e m a i n e x p e r i m e n t sp a r a m e t e r s s u c ha ss p u t t e r i n gp o w e r , g a sf l o w ，v a c u u n la i r p r e s s u r e ， m a g n e t o e l e c t r i c i t yp o w e ra n d s u b s t r a t et e m p e r a t u r eo nd e p o s i t i o nr a t eo ff i l m ， d i s c o v e r e dt h a td c s p u t t e r i n gp o w e r i st h em o s t k e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h ed e p o s i t i o n r a t e d e p o s i t i o nr a t ei si n c r e a s eq u i c k l yw i t hs p u t t e r i n gp o w e r t h ep u r i t yo ff i l md e p o s i t e db yr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n gi sv e r yh i g h ，a n dt h e r e a s o nt h a t i m p u r i t i e se x i s t i nt h ef i l md e p o s i t e db yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n gi s a n a l y z e d t h i c k n e s s ，i m p u r i t i e sa n dm i c r oc o n s t r u c t i o no ff i l mh a sn o t a b l ei n f l u e n c e 西北工业大学工学硕士学位论文 t or e s i s t a n c eo ff i l m ，e s p e c i a l l yt h ei m p u r i t i e s h o ws p u t t e r i n gp o w e r ，s u b s t r a t e t e m p e r a t u r ea n dg a sf l o wi n f l u e n c e dt h ep r o p e r t i e so f c o h e s i o na r es t u d i e d r e s u l t s s h o wt h a tt h ei n c r e a s eo f s p u t t e r i n gp o w e r h a s p o s i t i v ea f f e c t i o n k e y w o r d s ：c d l - x z n x t e o h m i cc o n t a c tf i l m m a g n e t r o ns p u t t e r i n g 1 1 i 西北工业大学_ 1 = 学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章文献综述 几十年来，人们对i i 族化合物半导体进行了广泛的研究。这是因为i i 一 族化合物半导体，如c d s ，z n s e ，z n t e ，z n s 等，具有优良的发光特性。它 们有从整个可见光波段到紫外光波段的禁带宽度，在紫外光或电子束激发下能 产生高效的发光。这些材料也可以组合成混晶( 合金) 形式，如c d h z n 。t e ，改 变x 值便可得到可见光谱区的连续发光光谱。而且这些都是赢接带隙材料，不 存在波矢动量的守恒问题，因此能以直接复合的方式，即带的跃迁方式，获得 高效的辐射复合川。 c d l 。z n 。t e 晶体具有优良的光电性质，近几年来越来越受到人们的重视，不 仅适合用作红外探测器材料h g i 。c d , t e 的理想外延衬底，而且还适合制作高性 能室温x 射线及y 射线探测器、光电调制器以及薄膜太阳能电池等。特别是采 用高阻c d l 一。z n x t e 晶体制备的x 射线及y 射线探测器可进步降低漏电流、提 高能量分辨率，同时其机械强度、热稳定性好，无极化效应，已引起了人们广 泛的兴趣。 碲锌镉( c d l _ x z n 。t e ) 半导体探测器是国际上近几年研究出来的一种新型划 线探测器。与传统的碘化钠闪烁体探头相比，它具有很高的探测效率和能量分 辨率，可在室温下工作，免除了添加液氮的烦琐。而且，这种半导体探测器易 于加工成像素阵列探测器，配合桥接的硅集成信号读出电路制成紧凑、高效、 高分辨率的x 射线成像装置，可广泛用于安检、工业探伤、医学渗断、天体x 射线望远镜等方面。 射线探测器已经广泛应用于医学、工业制造、核工业以及科学研究。工业 应用的诸多方面包括在灌瓶流水线上监测液位高度、测量汽车油漆厚度或者对 工业结构损伤进行非破坏性评估等等。 两北工业人学工学硕l 学位论义 有很多碲锌镉( c d i _ x z n 。t e ) 探测器用于医学成像和诊断的实例，如牙科医 生使用的简易x 射线机、心脏血管造影术( 通过心脏的映像切片) 和骨质密度 测量。它可用在核医学中指示大脑中活动区域的正确位置以帮助描绘像癫痫等 病症的情况，也可在天体观察中研究高能y 射线爆发的源头。 c d l 。z n 。t e 电适于核工业中的高能量分辨率测量和同位素确认以及x 射线 照相术应用。因为没有两种同位素会精确地发射完全相同的能谱，所以射线能 被作为“指纹”用于同位素测定。近来由e v - p r o d u c t s 推出的单点泛场源射线 ( s p e a r ) 探测器是一个完整的袖珍探头，外形直径为o 5 英寸，长为3 英寸， 探头包含一个5 5 5 m m 3 的c d z n t e 晶体和一个低噪声混合前置放大器，可在 室温下工作，比n a i 闪烁体有更高的能量分辨率。 然而制造x 射线及y 射线探测器要求c d l ，z n 。t e 晶体成分均匀、电阻率不 低于1 0 8 q c m ，最好大于1 0 1 0 0 c m 。采用传统的b r i d g m a n 法生长的晶体性 能指标达不到上述这一要求。美国、日本及法国专家 2 5 1 分别采用高压法和t h m 法进行晶体材料的制各，部分地解决了材料制各问题。h i r a n o 等【6 1 采用在控制 气氛中退火的方法，进行c d l 。z n 。t c 晶体的改性。s e n 等 7 】采用k c n 熔盐介质 进行c d l 。z n 。t e 晶体的退火改性，降低了晶体中l i 、c u 、a 1 等杂质，提高了 晶体的性能。国内仅西北工业大学开展了以x 射线及y 射线检测为应用背景的 c d l 。z n 。t e 晶体材料的研发工作。采用a c r t - b 法获得了直径为3 0 r a m 的 c d o9 z n o i t e 晶片。在此基础上发明了液相退火改性工艺，使得所获得的晶片主 要性能均达到制作x 射线及y 射线探测器的要求。特别是晶片经过退火处理后， 其电阻率值超过高性能材料应满足的电阻率，即大于1 0 mq c m 的要求。 c d l 。z n 。t e 晶体等i i 一族化合物材料产品在国内外应用领域非常广泛， c d l 一。z n x t e 晶体的主要应用及性能要求见表1 一l 【8 j 。 目前国外s i n ou j el t d ，已经研制出了c d l x z n x t e 晶体射线探测器，如图 l - 1 ，从左到右依次的探测器型号为e v - 0 8 0 、e v - 1 8 0 和e v - 2 8 0 ，分别满足不同 层次的需求。e v - 0 8 0 是所有产品中晟简单的组装类型。它包括一个a 1 2 0 3 基片 和一个c d z n t e 探测器晶体，可以置于屏蔽封装内。e v - 1 8 0 直接将b n c 插座封 装在探测器的背面，它被设计用来直接插在标准电荷前置放大器上使用。在 西- i l x 业大学工学硕士学位论文 e v - 2 8 0 中直接将混合前置放大器连接到c d z n t e 探测器上。这样，探测器可以 直接连到成型放大器。c d z n t e 探测器可以制成复合、分离、整体或者像素阵列 探测器。他们所采用的c d l 一。z n 。t e 晶体及研制的探测器主要性能指标： 表1 - 1c d h z n 。t e 晶体的主要应用及其性能要求 t a b l e1 1a p p l i c a t i o na n dp r o p e r t i e so f c d l z nt ec r y s t a l 主要应用背景典型性能耍求 缺陷密度： 1 0 4 qc m 红外透过率： 6 2 缺陷密度： 1 0 8 qc m x 射线与y 射线探测 ue - t 。8 1 0 9 1 0 3c m 2 v 红外透过率： 6 2 大尺寸体单晶 激光器光电调制缺陷密度： 1 5 剧1 - 1 几种规格c d l _ x z n 。t e 晶体射线探测器 f i g l 一1s e v e r a lt y p er a yd e t e c t o r so f c d t x z n x t ec r y s t a l ( 1 ) 直接转换，在转换过程。f ，宵接进行电衙转换、无需光电倍增管。 西北工业大学t 学倾士学位论文 f 2 ) 高密度、高原子量。密度为5 7 8 9 c m 3 ，混合原子量为4 8 ，具有高的 吸收效率。 ( 3 ) 高能量分辨率。2 4 1 a m 源：5 f w h m ；5 7 c o 源：4 f w h m ；b 7 c s 源：2 f w h m 。 ( 4 1 大能量探测范围。能量范围：5 k e v 1 m e v 。 f 5 ) 受温度变化影响小。温度每变化i o 。c 时，光峰变化仅为1 。 ( 6 ) 高速探测。成型时间短，脉冲模式下频率可达2 m h z ，电流模式下频 率可达1 g h z 。 ( 7 ) 耐用、适用性广。适于各种封装形式应用，耐冲击。 ( 8 ) 规格多样化。从2 x 2 x 0 5 r a m 3 到1 5 x 1 5 x 1 5 删o ，提供不同尺寸的 c d l 、z n 。t e 材料，适应不同的需要。 ( 9 ) 无潮解、化学性质稳定。 ( 1 0 ) 适用温度范围广( 一3 0 + 7 0 ) 。 高阻c d i _ x z n ，t e 材料的欧姆接触一直是人们研究的热点，因为它很大程度 上决定了x 射线与y 射线探测的性能。既使所使用的材料性能优良，但没有 个合适的接触，将导致器件性能明显下降。为了降低漏电流和提高能量分辨率， 探测器两电极中至少应有一个设计成阻挡接触 9 - 1 1 1 。对于高阻材料，如果把 两极都设讨成欧姆接触，能明显地提高探测器的响应速度，而且高阻材料的电 学性能测试也离不开欧姆接触，因此商阻材料欧姆接触的形成机理和工艺探索 是获得高性能x 射线与y 射线探测的关键。然而影响接触的电学性能的因素很 多，如电极接触材料、接触层沉积方法、材料表面状况以及半导体性能等。本 论文主要是从接触层沉积工艺的角度来探索欧姆接触的形成机理和工艺。 要制各c d l 一。z n 。t e 探测器，关键的技术之一就是在c d l 。z n 。t e 表面制备出 欧姆接触薄膜电极，因为电极制作的好坏将会对探测器的漏电流、载流子输运、 电场的分布产生重要影响。欧姆接触有两个重要特点，一是接触电阻远小于半 导体材料的电阻，另外一个就是具有线性和对称性的i v 曲线。良好的欧姆接 触是保证c d l 。z n 。t e 探测器正常工作的必要条件。本论文主要是研究用磁控溅 射镀膜法在c d l 。z n 。t e 表面制各欧姆接触薄膜电极的工艺方法。c d l 。z n 。t e 探 两北工业火学工学硕【学位论文 测器的欧姆接触薄膜电极要求有小的接触电阻、良好的附着性能、一定的强度 和硬度以及良好的稳定性，这就需要设计合适的薄膜电极和选择适当的工艺方 法。 1 2 导电薄膜 1 2 1 各类导电薄膜的性能 按成分可把导电薄膜分为六类【l ：低熔点单元素导电薄膜、复合导电薄膜、 多晶硅薄膜、高熔点金属薄膜、金属硅化物导电薄膜和透明导电薄膜。 低熔点单元素导电薄膜，是由单一金属所形成的薄膜导体，主要是在集成 电路中应用非常广泛的铝薄膜，以及铜、银、金等金属导电薄膜。这种导电薄 膜具有高的电导率：易于蒸发或溅射，可获得高纯度的薄膜：对抗蚀剂的选择 性好，容易光刻和活性离子刻蚀等优点。但由于其熔点比较低，既使在较低的 温度下进行热处理，也会导致结晶尺寸和成分分布的变化，使膜性质不稳定， 抗电迁移能力也较差【1 2 1 。 单一金属要同时满足对导电薄膜的各项要求十分困难。因此，可根据各金 属元素固有的特性，采用多层结构，复合成能满足不同要求的导电薄膜，即复 合导电薄膜。复合导电薄膜的组分至少包括两种或两种以上的金属，因此在制 备这种薄膜时必须采用多个蒸发源蒸发或者采用多金属靶顺序溅射的方法。儿 种常用的复合导电薄膜的主要性能如表1 2 1 2 1 所示。 重掺杂的多晶硅薄膜是替代铝薄膜作为m o s 集成电路的栅电极与互连线 材料，具有如下优点：( 1 ) 能耐受高温处理；( 2 ) 经氧化处理，可在其表面生 成优良的s i 0 2 膜；( 3 ) 容易得到高纯度的膜层：( 4 ) 利用不同掺杂成分既可形 成n 型半导体，又可形成p 型半导体，通过改变掺杂浓度来改变膜层的电阻率： ( 5 ) 可进行酸沈处理。制备多晶硅薄膜的方法很多，通常采用真空蒸发、溅射、 电化学沉积等。 西北工业人学学硕卜学位论文 ! ! ! ! ! ! ! 自! ! ! | ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! e ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i m l ll ! ! ! ! ! ! e ! 。2 几种常用复台导电薄膜的性能 t a b l e 卜2p r o p e r t i e so f s e v e r a lc o m p o u n dc o n d u c t i n gf i l m s 结构组成典型厚度( n m ) 主要优缺点 一l 艺简单、成本低，但稳定性较差锡焊时必 c r a n5 0 1 0 0 0 须有过渡层 上艺简单、成本低，但稳定性较差，锡焊时必 n i c r - a u5 0 1 0 0 0 须有过渡层 抗蚀性高，高温存在互扩散现象，大电流密度 t i a u5 0 1 0 0 0 1 2 0 0 下有电迁移觋象 5 0 - - 7 0 1 0 0 抗蚀性高，稳定性好，耐高温( 3 0 0 5 0 0 j ， t i - p d ( p t ； a u 3 0 0 1 0 0 0但成本高 5 0 1 0 0 3 0 0 抗蚀性高，稳定性好，耐高温( 3 0 0 5 0 0 。c ) ， n i c r - p d ( p t ) - a u 1 0 0 0 但成本高 5 0 3 0 0 0 3 0 0 噪声小，附着力稳定，但不能耐受2 5 09 c 以上 n i c r - c u - p d ( p t ) 一a u 1 0 0 0 高温，需采用电镀 5 0 3 5 0 0 3 0 0 性能稳定，焊接性好，成本较低，适于坝层布 t 卜c u n i a u 1 5 0 0 2 0 0 0线 5 0 5 0 0 0 6 0 0 0 0 可焊性优良，性能稳定，高温性能好，微波损 cr _ c u n i a u 1 0 0 0 3 0 0 耗小 高熔点金属薄膜，如w ，m o ，t i ，t a 等，它主要是为适应2 5 6 k 以上大规 模集成电路的需要而开发的一类导电薄膜。制备高熔点金属薄膜不能采用普通 的电阻加热式蒸发法，要选用电子柬蒸发、溅射和化学气相沉积等方法。 金属硅化物导电薄膜是利用s i 与许多金属可形成导电化合物这一特性而形 成的一类特殊导电薄膜，主要是选用b 族、v b 族和b 族的难熔会属或 族的亚贵金属与硅形成金属硅化物。前者主要用作栅极和互联材料，而i 族的 亚贵金属硅化物则主要用作为欧姆接触材料和形成肖特基势垒的材料。硅化物 西北工业人学工学硕一l 学位论义 的制备方法很多，主要是采用共溅射、共蒸发、合金靶溅射和化学气相沉积等 方法l i d 。 透明导电薄膜具有高的导电性，在可见光范围又有很高的透光性，并在红 外光范围有很高的反射性，大体上可分为金属透明导电薄膜、氧化物透明导电 薄膜、非氧化物透明导电薄膜及高分子透明导电薄膜。一般制备在玻璃衬底 二， 近来又开发出了在塑料衬底上制备导电薄膜的技术。其制备方法有：化学气相 沉积法( c v d ) 、真空蒸发法、溅射法等。 1 2 2 导电薄膜的应用 导电薄膜以其优良的导电性质，以及与不同应用场合的工艺相容性而在大 规模集成电路( l s i ) 、混合集成电路、薄膜电子元器件、平面显示器件、集成 光路、薄膜传感器，以及在表面增强、防腐等方面得到了广泛应用陋”j 。 导电薄膜在l s i 、v l s i 中主要用作多层布线的互连导体、扩散阻挡层、栅 电极及端头接触材料。虽然不对l s i 、半导体器件的功能其决定性作用，但作 为互连导体在l s i 中，对于各个电路与元器件的性能发挥，它起着非常重要的 作用。导电薄膜的可靠性有时直接决定了i c 和l s i 的可靠性和使用寿命。 在薄膜混合集成电路中，导电薄膜主要用作薄膜电容器的上、下电极，薄 膜元器件的端电极、互连导体以及多层布线导体等。在混合微波集成电路中， 具有一定厚度的导电薄膜则主要构成各种微带电路元件和接地线。 与其它导电薄膜相比，透明导电薄膜不仅导电性好，而且还像玻璃一样具 有高的透明性。随着液晶显示技术的发展，对导电薄膜的需求迅速增长。透明 薄膜的应用范围可大致分为两类：电子与电气方面的应用和光学方面的应用， 详见表1 3 【1 引。 西北工业大学t 学硕 学位论j 【： 。! ! ! ! 曼置! 苎! ! ! 詈曼墨! ! ! ! ! ! ! ! 皇皇! ! 曼曼曼墨烹! ! ! 兰兰曼! ! 暑篁篁皇曼曼曼曼! ! ! 烹鼍! ! ! 表1 - 3 透明导电薄膜的应州 t a b l e1 - 3 a p p l i c a t i o n o f c l a r i t y c o n d u c t i v e f i l m s 应用领域特性参数r ，t 用途特点 电子照像1 0 2 1 0 7 n 口o h p ，第二原幽，幻灯 面积大，町弯曲， 静电复印 8 0 片，伸缩胶片透明度高 5 1 0 2 n 口e l 器件，液品显示电致变重鼙轻，厚度薄 固定显示 8 5 色，电泳显示易加1 耐冲击 1 0 3 n 口热塑型记录，铁电体存储面积大、可弯曲、 透明 光存储器 8 0 器，合成橡胶型透明度高 电电极 5 1 0 3 n 口 子膜 终端设备透明平板( 透明开关)面积大，可弯曲 8 0 、 5 1 0 2 n 口易加h 透明度 电 太阳电池太阳能电池异质窗 8 0 鬲 气 5 x 1 0 2 n 口易加 ，透明度 方 光电器件光放大器 8 0 面 飞机、火车窗，显示屏窗、面积大耐冲击， 面发 平面发热 l o o 1 0 2 q 口 照相机镜头，暖房用控电透明度高，成本 热膜体8 0 盘加热器，烹调剧加热板低 防电膜和仪表指示窗，电子显微镜耐冲击可弯曲， 电屏1 0 0 一1 0 9 n 口 静电屏蔽窗，温室窗，集成电路包易加【，重鼙轻， 蔽膜8 5 膜装袋，电磁场屏蔽面积大 建筑物窗、炉子、烘烤箱 光热辐射遮断膜和1 0 2 n 口 的观察孔，照明灯的外面积大，耐冲击 学1 ，能膜8 0 管，低压钠光灿、白炽灯 方 1 0 2 n 口 太阳能集热器上用的平面积大，可弯曲， 面 选择性透光膜 8 0 扳形盖板玻璃，聚光外管透明度高 西北工业大学工学硕士学位论文 1 3 半导体电极的制备 作为半导体电极的导电薄膜，必须满足以下要求【1 0 】： ( 1 ) 导电性好，即要求导电率高或具有低的方阻，若导电薄膜厚度为6 0 0 8 0 0 n m 时，方阻为0 0 5 0 d 已基本适合一般电路的应用要求： ( 2 ) 与半导体材料有很好的附着性，即要求导电薄膜的内应力要小，不易剥 落； ( 3 ) 与各种薄膜元件的接触电阻应尽可能小，不与所接触的薄膜材料发生明 显的化学反应、互扩散，或生成使电路性能恶化的金属间化合物； ( 4 ) 容易进行微细加工，即要求容易形成薄膜，膜表面平坦且易于进行光刻； ( 5 ) 具有优良的焊接性能，能适宜于热压焊、超声焊、金丝球焊及钎锡焊， 与外引线焊接时工艺兼容性好： ( 6 ) 熔点高，化学性能稳定，不易被周围气氛氧化和腐蚀，对热处理温度有 高的稳定性； ( 7 ) 抗电迁移能力强，要能承受1 5 1 0 5 a c m 2 的电流密度，不发生明显 的电迁移； ( 8 ) 与电路中的元器件相容性好，即导电薄膜与衬底的热膨胀系数基本相 配： ( 9 ) 对环境稳定性高，不易受水汽、盐雾和某些焊剂中的还原性气体的侵蚀； ( 1 0 ) 对所接触或连接的元器件特性不产生有害影响等等。 导电薄膜的制备工艺方法在很大程度上决定着薄膜的性能，因此，必须选 择合适的制备工艺方法。目前，在半导体上镀金属薄膜的方法有很多。比如真 空蒸发镀膜法、离子镀膜法、溅射镀膜法等2 2 之8 1 ，几种镀膜技术在相关方面的 比较见表1 。4 1 2 4 1 。 真空蒸发镀膜法是一种使在真空中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料 原子或分子从表面气化溢出，形成蒸气流，入射到衬底表面，凝结形成固态薄 膜的方法。般来说，真空蒸发与其它方法相比，设备比较简单、操作容易； 丽北工业人掌i 学硕 学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! _ i l lr i i im l l l g ! ! ! 目! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 制成的薄膜纯度高、质量好，厚度可较准确控制；成膜速率快、效率高，用掩 膜可获得较清晰的图形；薄膜的生长机理比较单纯。主要缺点是不容易获得结 晶结构的薄膜，形成的薄膜在衬底上的附着力较小，工艺重复性不够好。 表卜4 各种镀膜技术的比较 t a b l e1 4c o m p a r i s o no fs e v e r a lm e t h o d so f f i l mp r e p a r a t i o n 镀膜方法蒸发镀膜溅射镀膜离子镀膜化学气相沉积 金属、合金、化 金属、台金、化 可镀材料金属金属及化台物台物、高分子物 合物 质 镀膜材料获取 真空蒸发真空溅射蒸发、溅射化学反应 方式 衬底加濡范同 3 0 2 0 01 5 0 5 0 01 5 0 8 0 0 ： o o 1 i 0 0 沉积速率 2 5 0 0 7 5 0 0 0l o 1 0 02 5 0 0 5 0 0 0 0远大j ：p v d n m m i n 界面附着强度一般较好好好 取决于靶的纯取决于蒸发材 取决于蒸发材取决于反应气 薄膜的纯度度和溅射气体料、坩埚及反应 料及坩埚体 的纯度气体的纯度 高密度，针孔高密度，针孔纯度高，致密性 薄膜的性质膜层不太均匀 少，膜层较均匀少，膜层较均匀好 可镀复杂形状 对复杂表面的只镀衬底的直只镀衬底的直绕射性蚶，膜层 的表面，沉积表 镀覆能力射表面射表面均匀 面平滑 溅射镀膜基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过程都是建立 在辉光放电基础之上，即溅射离子都来源于气体放电。不同的溅射技术所采用 一1 0 一 两北工业大学j r 学坝十学位论文 的辉光放电方式有所不同。直流二极溅射利用的是直流辉光放电；三极溅射是 利用热阴极支持的辉光放电；射频溅射是利用射频辉光放电：磁控溅射是利用 磁场控制下的辉光放电。溅射镀膜的特点：( 1 ) 任何物质均可溅射，尤其是商 熔点、低蒸气压元素和化合物；( 2 ) 溅射膜与衬底之问的附着性能好；( 3 ) 溅 射膜密度高，针孔少，且膜层的纯度高，因为在溅射镀膜过程中，不存在真空 蒸镀时无法避免的坩埚污染现象；( 4 ) 膜可控性和重复性好。 离子镀膜是在真空蒸发和真空溅射技术基础上发展起来的一种新的镀膜技 术，它足在真空条件下应用气体放电实现镀膜，即在真空室中使气体或被蒸发 物质电离，在气体粒子或被蒸发物质离子的轰击下，同时将蒸发物和其反应产 物蒸镀在衬底上。 1 4 i i 一族化合物半导体欧姆接触的研究进展 宽带隙的i i 一族化合物半导体近几十年来一直是人们的研究热点，对于它 们与金属的欧姆接触，国内外做了大量的研究工作。这些研究工作涉及了多种 金属与i i 一族化合物半导体的接触，如：a u 、a g 、a l 、c u 、i n 、p t 、n i 等”9 。4 “。 但对于i i 一族化合物半导体c d i - x z n 。t e 晶体的欧姆接触，国内外的研究报道m 并不多。下面就这些研究进展做一些介绍。 1 4 1 c d 。z n 、t e 晶体欧姆接触的研究进展 目前有关c d l x z n 。t e 晶体欧姆接触的研究国内外报道还不多，国内有上海 大学和中国科学院上海技术物理研究所做过相关的工作。上海大学的王林军等 人【4 6 1 采用原予力显微镜( a m f ) 研究了- - o o 金属( a u 、a 1 、i n ) 和a u c l 3 作为 p 型高阻c d o8 z n o2 t e 半导体接触层材料的机理，这几种材料与c d o8 z n o2 t e 半 导体接触的i v 特性见图1 2 。研究表明，采用化学方法沉积的a u c l 3 能在 c d z n t e 光滑表面形成一层重掺杂层( p + ) ，较金属更易获得欧姆接触，热处理 可改善接触的欧姆性，并增强了接触层与晶体表面的结合力。 西- l i 业人学工学砸f j 学位论文 i s r a e li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 的y n e m i r o v s k y 等人1 3 0 l 报道了关于c d l _ x z n x t e 半导体探测器制备。他们用金属i n 作为n 型c d z n t e 的欧姆接触层，再在其i ： 覆盖一层a u 层。相反，对于p 型c d z n t e 半导体则刚好相反。 3 2 盆 一 璃1 枷 o 且u o a u c l s ： 1 ， z ：磐 毋二” 膨一 一3- 2 1o 1 2 3 电压( v ) 图i 一2 不同材料接触的i v 特性 f i g l - 2i - vc h a r a c t e r i s t i c so f c o n t a c t sf o rv a r i o u sm a t e r i a l s 1 4 2 其它i i 一族化台物半导体欧姆接触的研究进展 p - z n s e 的低阻欧姆接触难以实现，这是因为其价带很低，从而使得任何余 属与其接触时势垒较高，需用较高电压来克服这一势垒，这使得整个器件很快 就会老化。解决这一问题的思路是将z n s e 与其他材料组成渐变合金，以使其 与另一种能实现低阻欧姆接触的半导体的价带相配合。目前较成功的方法有两 类【”。 一类是用半金属h g s e 及连接层z n s e i 一。t e 。：n 方法。用突变、渐变或多层 异质结构的方式实现这种接触，其接触电阻可达5 1 0 。4 q c m 2 。但这种结构 会使z n s e ：n 中的载流子浓度减少，这可能是由于z n ( s e 、t e ) n 中n 的浓度 较高，而向z n s e 层扩散，从而产生了n 的补偿，减少了自由载流子的浓度。 - 1 2 - 研北t 业大学工学硕，l ：学位论文 苎蔓! ! ! 詈! 鼍! ! ! ! ! 皇! 兰曼詈皇皇曼曼皇皇兰皇曼曼詈量舞皇! ! ! ! ! i 一i 1 1 1 1 鼍蔓曼曼皇曼! ! 曼! ! ! 詈! ! ! 摹! ! 詈! 另一类是由f a n 等人提出的用重掺杂的z n t e 及z n s e ，z n t e 多层结构的 方法。最近y a n g 等人 4 6 1 又改进了f a n 的方法：用由z n s e t e 组成的抛物线状渐 变层代替线性渐变结构。他们从泊松方程出发，对这种结构进行了理论，卜的分 析，发现达到同样的低阻势垒所需的抛物线型渐变层层厚只是线性渐变层层厚 的五分之一左右，这在实际器件的构造中是很有价值的。 人们对其他重要的i i 一族化合物半导体的低阻欧姆接触也进行了研究。 如对于z n t e ：p ，m o c h i z u k i 等人【4 7 】的研究表明，可以用a u p t t i n i 电极与 z n t e ：p 接触。将样品做升温处理，发现接触电阻一直在下降，到3 0 0 。c 达到最 小。这是由于n i 和z n t e 反应生成n i t e 2 对低阻的形成起了重要的作用。实验 还表明这种电极的欧姆接触在1 0 0 。c 以上时依然良好，这远远优于般的欧姆 接触电极。 d b r u n 等人研究了稀有金属与n 型c d t e 半导体的欧姆接触机理。他们 的研究表明除了e u 之外，s m 、n d 等稀有金属都珂以与1 1 型c d t e 半导体形成 欧姆接触，这是由于稀有金属在接触层形成异质结构的缘故。在以n d 为主要 成分的1 3 型c d t e 半导体接触层中掺入少量的e u 元素，能够形成异质结构，这 种结构可以使接触电阻达到2 , 0 x1 0 3q c m 2 。 1 5 本文的主要研究内容 综上所述，c d l x z n 。t e 探测器具有广阔的研究前景，在c d l 、。z n 。t e 表面形成 良好的欧姆接触电极是制各探测器的关键技术之一。本论文将从电极材料选择、 制备工艺和性能分析等方面对c d l x z n 。t e 晶体的欧姆接触电极进行系统的研 究，为探测器的制备奠定工艺理论基础。主要研究内容如下： ( 1 ) c d l 。z n ，t e 晶体欧姆接触电极的选择，根据金属半导体功函数、半导体 表面奁对m s 接触电阻的影响和隧道效应原理，本论文拟设计_ 层复合导电薄 膜。第一层与衬底要结合牢固、附着性好并能形成良好的欧姆接触，同时膜层 要有高的热稳定性；第二层选用不易与外界发生反应、化学稳定性强的贵金属。 ( 2 ) 进行欧姆接触电极薄膜的工艺实验，探讨主要工艺参数对薄膜沉积速 率、性能的影响规律，为最终制备欧姆接触电极奠定基础： 西北工业人学工学硕j 学位论文 ( 3 1 对制备的电极薄膜进行性能测试和理论分析。 1 6 本章小结 ( 1 ) 介绍了c d z n t e 半导体的主要性能、其作为射线探测器的优势，以及国 内外有关的c d z n t e 晶体射线探测器的研制状况。 括。 ( 2 ) 对导电薄膜的分类、应用范围以及导电薄膜的制备技术做了全面的概 ( 3 ) 对国内外c d z n t e 及其相关半导体材料的欧姆接触现状做了介绍，同时 提出了本文所研究的欧姆接触的主要内容。 - 1 4 第二章金属与c d h z n 。t e 半导体的欧姆接触 金属与半导体的接触可以分为整流接触和非整流接触，非整流接触即为欧 姆接触。欧姆接触是指这样的接触：一是它不产生明显的附加阻抗；二是不会 使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。从电学上讲，理想欧姆接触 的接触电阻与半导体衬底或器件相比应当很小，当有电流流过时，欧姆接触上 的电压降应当远小于衬底或器件本身的压降，这种接触不影响器件的i v 特性， 或者晚，i v 特性是由衬底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。半导体器件一般都要利用金属电极输入或输出电流，这就要 求在金属和半导体之间形成良好的欧姆接触。在超高频和大功率器件中，欧姆 接触是设计和制造中的关键问题之一旧儿j 。下面将首先介绍影响金属与半导体 形成欧姆接触的主要因素，而后在此基础上讨论c d l 。z n 、t e 半导体欧姆接触电 极材料的选择及电极的结构。 2 1 金属与半导体的欧姆接触 2 1 1 金属和半导体的功函数对形成欧姆接触的影响 在绝对零度时，金属中的电子填满了费米能级e f 以下的所有能级，而高于 e f 能级则全部是空着的。在一定温度下，只有e f 附近的少数电子受到热激发， 由低于e f 的能级跃迁到高于e f 的能级上去，但是绝大部分电子仍不能脱离金 属而逸出体外。这说明金属中的电子虽然能在金属中自由运动，但绝大多数所 处的能级都低于体外能级。要使电子从金属中逸出，必须由外界给它以足够的 能量。所以，金属内部的电子是在一个势阱中运动。用e o 表示真空中静止电子 的能量，金属功函数的定义是e o 与e f 能量之差，用w 。表示，即： - 1 5 - 两北工业大学：【学颤 学位论文 w m = e o - - ( e f ) 。 ( 2 一1 ) 它表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的 最小能量。功函数的大小标志着电子在金属中束缚的强弱，w 。越大，电子越 不容易离开金属。 金属的功函数约为几个电子伏特；功函数的值与表面状况有关。随赣原于 序数的递增，功函数也呈现周期性变化。 在半导体中，导带底e 。和价带顶e 。一般都比e o 低几个电子伏特。要使屯 子从半导体中逸出，也必须给它以相应的能量。和金属类似，也把e 。与费米能 级之差称为半导体的功函数，用w 。表示，于是： w 。= e o 一( e f ) s ( 2 - 2 ) 半导体的费米能级随杂质浓度变化，因而w 。也与杂质浓度有关。令x = e o e 。， x 称为电子亲合能，它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能 量。利