表面處理對Au-CdZnTe電極接觸性能的影響

張大眾，朱麗慧，孫士文，周昌鶴，虞慧嫻，徐 超

表面處理對Au-CdZnTe電極接觸性能的影響

張大眾1，朱麗慧1，孫士文2，周昌鶴2，虞慧嫻2，徐 超2

（1.上海大學 材料學院，上海 200072；2.中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083）

碲鋅鎘（CdZnTe）是制備X射線、g射線探測器的一種理想半導體材料。CdZnTe歐姆接觸電極是制備CdZnTe核輻射探測器的關鍵技術之一。表面加工狀態(tài)是影響歐姆接觸性能的重要因素，文中研究了4種表面處理工藝對Au-CdZnTe電極接觸性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)對晶片表面進行溴甲醇腐蝕處理和機械化學拋光均有助于提升Au-CdZnTe電極歐姆接觸性能。對晶片進行機械化學拋光后再進行溴甲醇腐蝕處理，使用這種晶片所制備的電極具有更加優(yōu)良的綜合電學性能。

碲鋅鎘；表面處理；機械化學拋光；歐姆接觸

0 引言

碲鋅鎘（CdZnTe）具有較高的原子序數(shù)和禁帶寬度，被認為是制作X射線、g射線核輻射探測器的一種理想的半導體材料[1]。核輻射探測器的性能不僅與體材料的質量有關，還與晶體表面和接觸類型有關，科研人員在致力于提高CdZnTe的晶體質量的同時，也在晶片表面處理和電極接觸等方面有大量的研究[2-8]。

為了使CdZnTe核輻射探測器具有均勻和快速的響應速度，需要在CdZnTe材料表面制備歐姆接觸電極[9-10]。歐姆接觸的獲得與選擇的電極材料的功函數(shù)以及晶體材料本身的表面態(tài)有關[11]。國內外學者對Au、Ag、Cu、Co、Fe、V、Cr、Mn以Nd等不同金屬材料作為CdTe、CdZnTe的電極進行了研究[6, 12-13]。在諸多金屬材料中，Au的功函數(shù)為5.3eV，大于p型CdZnTe的功函數(shù)，與p型CdZnTe接觸形成p型反阻擋層，有利于形成歐姆接觸[14-15]。金屬和半導體系統(tǒng)的勢壘高度由金屬的功函數(shù)和界面態(tài)共同決定，歐姆接觸電極的制備還與半導體表面狀態(tài)有關[16]。早期學者利用真空狀態(tài)下解理CdTe并進行不同表面處理來分析表面氧化層對接觸勢壘的影響，發(fā)現(xiàn)氧化層對金屬與CdTe的接觸勢壘有較大的影響[12]。Wright等人比較了CdZnTe晶片只經過機械拋光處理工藝和CdZnTe晶片經機械拋光處理后再進行腐蝕處理工藝對電極接觸性能的影響，得出了在機械拋光后進一步腐蝕作用可以得到更好的歐姆接觸性能的結論[17]。A. Burger等人比較了機械拋光后的CdZnTe晶片經不同腐蝕劑處理后電極的接觸效果，發(fā)現(xiàn)機械拋光后先使用5% Br2-MeOH再用2% Br2＋20%乳酸乙二醇溶液腐蝕晶片后，探測器可以得到最小的漏電流以及在對133Ba放射源探測時得到最好的半高寬峰值，用這種方法處理后得到的歐姆系數(shù)為0.938[18]。

對于CdZnTe的表面處理，文獻中大多是采用機械拋光后直接進行化學腐蝕[18-20]，而在化學腐蝕前進行機械化學拋光研究較少。本文選用Au作為CdZnTe的接觸電極，采用4種不同的表面處理工藝，重點研究了機械化學拋光后進行溴甲醇腐蝕處理的晶片表面處理工藝對CdZnTe電極歐姆接觸性能的影響。

1 實驗方法

1.1 晶片準備

本實驗采用布里奇曼法生長CdZnTe晶體，使用QP613A型內圓切割機平行于（111）晶面方向切片，再使用HP603型劃片機將晶片劃成若干10mm×10mm尺寸的小晶片，使用3mm Al2O3粉機械研磨后待用。為了研究機械化學拋光后進行溴甲醇腐蝕處理的晶片表面處理工藝對CdZnTe電極歐姆接觸性能的影響，采用4種表面處理工藝對晶片表面進行處理：①MP：機械拋光處理；②MPE：機械拋光后再進行溴甲醇腐蝕處理；③CMP：機械拋光后進行進一步的機械化學拋光；④CMPE：機械拋光＋機械化學拋光＋溴甲醇腐蝕處理。其中，①機械拋光處理：使用3mm Al2O3粉機械拋光5min。②機械化學拋光：配制0.8mm Al2O3粉＋次氯酸鈉的混合溶液，晶片在拋光液的作用下拋光2min。③溴甲醇腐蝕處理：取2mL Br2素在1L甲醇中配制2%的Br2-MeOH溶液，分成等量的若干份待用；將晶片垂直平穩(wěn)地放入Br2-MeOH溶液中腐蝕30s，然后將晶片在純凈甲醇溶液中漂洗2次，每次漂洗時間為5s，使用氮氣吹干晶片表面。機械拋光或機械化學拋光處理后的晶片都要在去離子水中沖洗干凈表面碎屑，待晶片從拋光盤取下后依次在煮沸的去蠟液中沖洗2min、煮沸的酒精中沖洗2min、重新在煮沸的酒精中沖洗2min、在丙酮中沖洗2min，最后用氮氣吹干晶片表面。

1.2 電極制備

本文采用化學沉積法制備Au-CdZnTe電極。將晶片表面中間區(qū)域用膠帶遮掩覆蓋，使用國藥生產的AR級1g瓶裝AuCl3粉體，將其溶解在25mL去離子水中配制成AuCl3溶液，將晶片浸在AuCl3溶液中，2min后取出吹干表面。然后將晶片放入烘箱中，在50℃溫度下烘干成膜，去除掩蓋物后，用20mm砂紙磨去晶片邊緣鍍金部分，獲得的電極形狀如圖1所示，單邊電極尺寸為10mm×4mm，電極間距為2mm。

圖1 CdZnTe的Au電極示意圖

1.3 表面形貌觀察與電學性能測試

利用OLYMPUS BX51光學顯微鏡觀察不同表面處理后的晶片表面。為了表征CdZnTe表面形貌，使用BRUKER MM8 AFM測量晶片表面粗糙度q，圖像掃描區(qū)域范圍為20mm×20mm。為了進一步表征晶片經過不同表面處理后晶片的表面狀態(tài)，通過OLYMPUS OLS3000共聚焦顯微鏡掃描晶片表面，獲得表面起伏的數(shù)據(jù)，去除噪聲數(shù)據(jù)點，利用MATLAB軟件模擬出晶片表面的起伏狀態(tài)，晶片表面高度差Δ的數(shù)值越小，表面平整度越好。

利用KEITHLEY4200型高阻微電流計測量樣品在－20V～20V偏壓下的-特性。

2 結果與討論

2.1 不同表面處理對晶片表面狀態(tài)的影響

晶片經過機械拋光處理后，肉眼觀察晶片表面呈鏡面狀；在光學顯微鏡下觀察，表面留有許多相互交錯的劃痕，如圖2(a)所示。觀察經過溴甲醇腐蝕處理2min后的晶片，晶片表面較機械拋光后更亮，表面的劃痕消失，如圖2(b)所示。晶片經過機械化學拋光處理后，可以看出，表面只有少量輕微劃痕，劃痕的深度和長度都要比機械拋光后小，如圖2(c)所示。在機械化學拋光后再經過溴甲醇腐蝕的表面處理后，晶片表面的劃痕也基本消失，如圖2(d)所示。Br2-MeOH的化學腐蝕處理和機械化學拋光作用可以在一定程度上去除CdZnTe表面劃痕。

圖3為不同工藝處理后CdZnTe表面的AFM顯微圖像。機械拋光后q為32.3nm，溴甲醇腐蝕下降為3.94nm。機械化學拋光處理后晶片q降至3.14nm。機械化學拋光后再經過溴甲醇腐蝕處理，晶片q進一步降低到2.24nm，得到表面粗糙度更小的晶片。

圖4為晶片的共聚焦顯微掃描圖。從圖中可以看出經過MP處理后，晶片的Δ為28mm。經過MPE處理后，Δ有所下降。CMP處理對晶片表面平整度的改善較為明顯。CMP處理后再經溴甲醇腐蝕可以進一步改善晶片的平整度，Δ下降為28mm。

圖2 不同工藝處理后CdZnTe晶片的光學顯微圖

圖3 不同工藝處理后CdZnTe晶片的AFM圖像

圖4 不同表面處理的晶片共聚焦顯微鏡掃描圖

晶片經不同表面處理后的表面狀態(tài)如表1所示，從上述結果中可以看出，經過CMPE處理，表面劃痕消失，表面粗糙度最小，表面平整度最好，可以得到更好的晶片表面狀態(tài)。

表1 不同工藝處理后的晶片表面狀態(tài)

2.2 表面處理對電學性能的影響

對不同表面處理后的晶片接觸電極測試-曲線，如圖5所示。經過機械拋光后的晶片的-曲線顯示晶片在一定的外加偏壓下，隨著偏壓的增大，其表面漏電流的增加幅度相對較大而且不均勻。而經過MPE、CMP、CMPE處理后的晶片，電流隨著偏壓的變化呈現(xiàn)較均勻的變化。對曲線進一步按照()＝aV進行擬合（其中表示歐姆系數(shù)，其值越接近于1，歐姆特性越好[21]），經過機械拋光后得到的晶片歐姆系數(shù)為0.82219。對晶片進行進一步的表面處理，MPE處理后的晶片歐姆系數(shù)為0.98254，CMP處理后的晶片歐姆系數(shù)為0.98174，接觸性能得到一定的改善。晶片經過CMPE即機械化學拋光后再用溴甲醇腐蝕得到的值為0.9911，歐姆接觸性能最好。

本文根據(jù)公式(1)對經過不同工藝處理后的晶片的表面電阻率sh進行估算：

sh＝/() (1)

式中：為電壓；為電流；為電極長度；為電極間距。本文將Au電極的長邊長度近似當作電極長度，故本文中＝1×10－2m，＝2×10－3m。計算結果表明機械拋光后的晶片表面電阻率為3.03×106W，而MPE、CMP、CMPE工藝處理后的晶片表面電阻率依次為3.31×106W、2.62×107W、4.61×107W。晶片表面電阻率越大，表面漏電流越小。可以看出機械拋光后的晶片表面漏電流最大，MPE處理后，晶片表面漏電流有所下降，而CMP、CMPE工藝處理后表面漏電流下降了一個數(shù)量級，經過CMPE處理后的晶片可以得到最小的漏電流。

根據(jù)光學顯微鏡和AFM的測試結果顯示晶片經機械拋光后表面有明顯的劃痕，晶片表面存在損傷層，容易吸附各種帶電粒子，在表面會形成較高的表面態(tài)密度，引起表面能帶彎曲，使得電極與晶片表面產生很高的接觸勢壘，機械拋光后歐姆接觸性能最差。實驗結果表明，通過溴甲醇腐蝕處理后可以消除表面劃痕，提高表面接觸性能。從共聚焦顯微鏡的分析結果來看，機械拋光后再用溴甲醇腐蝕處理，晶片平整度還是比較差，表面還是會存在一個高的表面態(tài)密度。通過機械化學拋光處理后，不但可以去除一定損傷層還可以得到較好的平整度，但會在晶片表面容易形成氧化層，也會增大晶體表面功函數(shù)，提高接觸勢壘[12]。這兩種工藝雖然在一定程度上可以改善晶片表面接觸性能，但并不是最佳的工藝方法。而機械拋光后進一步機械化學拋光處理，然后利用溴甲醇的腐蝕去除表面氧化層，快速沉積電極避免氧化層的產生，從而降低接觸勢壘，這樣的工藝可以得到較小的表面漏電流和更好的歐姆接觸性能[22]。因此，CMPE的工藝處理是晶片獲得理想歐姆接觸性能的最佳工藝方法。

圖5 不同表面處理后CdZnTe晶片的I-V曲線

3 結論

1）機械拋光后的晶片經過溴甲醇腐蝕處理后，晶片的表面粗糙度明顯下降，可以去除損傷層和表面氧化層，歐姆接觸系數(shù)為0.98254。

2）機械拋光后的晶片經過機械化學拋光后，表面粗糙度下降的同時還可以得到平整度較好的表面，平整度下降到21mm，歐姆系數(shù)為0.98174。

3）機械拋光后的晶片采用機械化學拋光和溴甲醇腐蝕的復合處理，不但可以去除損傷層還可以得到更好的平整度，同時也能有效去除表面氧化層，降低表面態(tài)密度，歐姆系數(shù)為0.9911。晶片進行機械化學拋光后再進行溴甲醇腐蝕處理，是更加容易得到歐姆接觸電極的一種表面處理方法。

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The Effect of Surface Treatments on the Contact Performance of Au-CdZnTe

ZHANG Dazhong1，ZHU Lihui1，SUN Shiwen2，ZHOU Changhe2，YU Huixian2，XU Chao2

(1.,,200072,; 2.,200083,)

CdZnTe is a promising material to make the detector of X rays orgrays. The preparation of ohmic contact of CdZnTe plays an important role in the device performance. As the surface quality is very important to the ohmic contact characteristic, the effect of four different surface treatments on the electrode contact performance of CdZnTe was studied in this paper. The results show that both etching treatment and chemical-mechanical polishing can improve the ohmic contact characteristic. The electrode which is made of the wafer polished chemically-mechanically and then etched by Br2-MeOHaqueous exhibits excellent electric performance.

CdZnTe，surface treatment，chemical-mechanical polishing，ohmic contact

TG175

A

1001-8891(2016)07-0571-06

2015-12-28；

2016-03-04.

張大眾（1989-），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為碲鋅鎘表面處理工藝。E-mail：zhangdazhong163@163.com。

紅外成像材料與器件重點實驗室開放基金資助項目（IIMDKFJJ-12-01）。