Cd組分x對非晶態(tài)Hg1－xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)的影響

余連杰，史衍麗，蘇玉輝，李雄軍

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Cd組分對非晶態(tài)Hg1－CdTe薄膜暗電導(dǎo)的影響

余連杰，史衍麗，蘇玉輝，李雄軍

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

利用射頻濺射方法制備了非晶態(tài)Hg1－CdTe薄膜（＝0, 0.22, 0.50, 0.66, 1），在80K～300K溫度范圍內(nèi)，研究了Cd組分對暗電導(dǎo)的影響。當(dāng)溫度＞210K時(shí)，隨著Cd組分增加，暗電導(dǎo)減小；當(dāng)溫度＜210K，隨著Cd組分增加，則暗電導(dǎo)增大；當(dāng)溫度＝210K時(shí)，暗電導(dǎo)幾乎與Cd組分無關(guān)。這可能是由于隨著Cd組分增加，薄膜中的缺陷增加所致。a-Hg1－CdTe（＝0、0.22、0.50、0.66和1）薄膜中存在擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)和局域態(tài)電導(dǎo)，Cd組分越大，兩種導(dǎo)電機(jī)制的轉(zhuǎn)變溫度m也越高。在＝300K時(shí)，利用暗電導(dǎo)的激活能估算出了非晶態(tài)Hg1－CdTe薄膜的遷移率隙g，隨著Cd組分增加，遷移率隙g微弱減小。

非晶態(tài)半導(dǎo)體；非晶態(tài)碲鎘汞；暗電導(dǎo)；導(dǎo)電機(jī)制

0 引言

Te基非晶態(tài)半導(dǎo)體材料由于具有卓越的光電性能，可以作為紅外窗口和圖像記錄等材料[1]。在光電器件和太陽能量電池方面存在廣闊的應(yīng)用前景，是一種重要的光電材料，近年來逐漸受到科學(xué)家們的關(guān)注。這類材料的共同特點(diǎn)是缺乏長程序，遷移率隙中存在局域態(tài)和本身固有的缺陷[2-3]。

通過改變組分值，可以改變晶態(tài)碲鎘汞（Hg1－CdTe）材料的光電性能以及探測器的響應(yīng)波段范圍[4]，50多年來其在紅外探測器應(yīng)用方面取得了很大進(jìn)展，仍是目前最重要的第三代紅外探測材料之一[5]。非晶態(tài)Hg1－CdTe（簡稱a-Hg1－CdTe）薄膜因其對襯底無選擇性，可大面積生長，且對短波紅外具有光電響應(yīng)近年來開始受到關(guān)注[6-10]。暗電導(dǎo)是非晶態(tài)半導(dǎo)體的一個(gè)非常重要的電學(xué)參數(shù)，我們曾對非晶態(tài)HgCdTe暗電導(dǎo)的溫度特性進(jìn)行過詳細(xì)的研究[9]。通過改變組分，可以改善非晶態(tài)半導(dǎo)體的物理性能[11-15]。但是改變Cd組分，對非晶態(tài)Hg1－CdTe薄膜的電學(xué)性質(zhì)有何影響以及影響規(guī)律？

本文利用射頻磁控濺射技術(shù)制備了a-Hg1－CdTe（＝0, 0.22, 0.50, 0.66, 1）薄膜，在80K～300K溫度范圍內(nèi)，研究了組分對暗電導(dǎo)的影響。

1 a-Hg1－xCdxTe薄膜的制備

為了精確測量a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)，設(shè)計(jì)了方形電極結(jié)構(gòu)，如圖1所示，電極厚度＝2mm，電極長度為＝250mm，電極間距為＝28mm[6-7,9]。首先在寶石襯底上制備出金電極，然后以多晶態(tài)Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66，1）材料為濺射靶材，利用射頻磁控濺射技術(shù)在寶石襯底上制備a-Hg1－CdTe薄膜，薄膜厚度為＝1.5mm。在濺射過程中，襯底溫度為10℃，氣體壓強(qiáng)約為1Pa，濺射功率約10W。

a-Hg1－CdTe薄膜的XRD衍射圖中沒有出現(xiàn)晶體材料所具有的衍射峰，表明其具有非晶態(tài)半導(dǎo)體的特性。把樣品封裝在液氮變溫杜瓦瓶內(nèi)，80K～300K溫度范圍內(nèi)的-特性測量結(jié)果表明，在－20V～＋20V偏壓范圍內(nèi)，樣品具有良好的歐姆接觸特性。利用-測試儀器測量樣品的暗電流d，通過計(jì)算得到樣品的暗電導(dǎo)值。利用控溫儀控制樣品溫度，每間隔10K測量一組數(shù)據(jù)，得到不同溫度時(shí)的暗電導(dǎo)值。

圖1 a-Hg1－xCdxTe薄膜電導(dǎo)測量樣品結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)與溫度的關(guān)系

在80K～300K溫度范圍內(nèi)，a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)與溫度的關(guān)系曲線如圖2所示。樣品編號(hào)分別為a-MCT-PC03#（＝0）、a-MCT-PC07#（＝0.22）、a-MCT-PC12#（＝0.50）、a-MCT-68#（＝0.66）和a-MCT-PC13#（＝1.0）。

結(jié)果表明，不同Cd組分＝0，0.22，0.50，0.66的a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)具有相同的變化趨勢：即隨著溫度升高，暗電導(dǎo)增大，表明其具有熱激活特性。＝80K時(shí)暗電導(dǎo)最小，而＝300K時(shí)暗電導(dǎo)最大。在80K～300K溫度范圍內(nèi)，Cd組分越小，暗電導(dǎo)變化越顯著：＝0（a-HgTe）變化約4個(gè)數(shù)量級(jí)，＝0.22變化約350倍，＝0.50變化約60倍，＝0.66樣品變化約12倍。而Cd組分＝1的樣品（a-CdTe）的暗電導(dǎo)隨著溫度升高，先增大后降低，約在＝120K時(shí)，達(dá)到最大值（d≈1.0×10－7Ω－1cm－1）。在所研究溫度范圍內(nèi)，＝1樣品（a-CdTe，a-MCT-PC13#）暗電導(dǎo)變化很小。約在溫度＝210K，不同Cd組分a-Hg1－CdTe薄膜樣品的暗電導(dǎo)幾乎相等（d≈8.0×10－8Ω－1cm－1）。

圖2 a-Hg1－xCdxTe（x＝0,0.22,0.50,0.66,1）薄膜暗電導(dǎo)與溫度的關(guān)系曲線

2.2 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分x的關(guān)系

根據(jù)圖2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出a-Hg1－CdTe薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分的關(guān)系分為兩個(gè)溫度區(qū)域：＞210K和＜210K。在不同的溫度區(qū)域，暗電導(dǎo)與組分的關(guān)系不同，如圖3所示。

圖3 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分x的關(guān)系

當(dāng)溫度＞210K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜暗電導(dǎo)與組分的關(guān)系曲線，如圖3(a)所示。可以看出，隨著組分增加，非晶態(tài)Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)降低。非晶態(tài)HgTe（＝0）樣品的暗電導(dǎo)最大，在＝300K時(shí)約為d＝7.62×10－5Ω－1cm－1，而非晶態(tài)CdTe（＝1）樣品的暗電導(dǎo)最低，約為d＝6.20×10－8Ω－1cm－1。這與晶態(tài)材料的變化趨勢相似。而當(dāng)溫度＜210K時(shí)，則相反，其暗電導(dǎo)隨著組分增加而增大，典型的a-Hg1－CdTe薄膜暗電導(dǎo)與組分的關(guān)系曲線，如圖3(b)所示。

3 討論

低組分（＜1）a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)具有熱激活特性，可表示為：

d＝0exp(－Dad/) (1)

式中：0為指前因子；Dad為暗電導(dǎo)激活能；為玻爾茲曼常數(shù)；為絕對溫度。根據(jù)圖2中的曲線斜率，可以計(jì)算出a-Hg1－CdTe薄膜暗電導(dǎo)的激活能。圖4給出了在＝300K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)激活能與Cd組分的關(guān)系曲線。

圖4 a-Hg1－xCdxTe（x＝0，0.22，0.50，0.66）薄膜暗電導(dǎo)激活能DEad與Cd組分x的關(guān)系曲線

非晶態(tài)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)近似位于遷移率隙的中央位置，在溫度為＝300K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)為主，因此a-Hg1－CdTe薄膜的遷移率隙g近似為其暗電導(dǎo)激活能Dad的兩倍（g≈2Dad）。據(jù)此可以計(jì)算出＝300K時(shí)a-Hg1－CdTe薄膜的遷移率隙。表1中列出了＝300K時(shí)，不同Cd組分a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)、指前因子、激活能和遷移率隙值。可以看出，a-Hg1－CdTe薄膜的遷移率隙g隨著Cd組分增加而緩慢減小，這與晶態(tài)Hg1－CdTe帶隙組分關(guān)系式不同。而且非晶態(tài)HgTe（＝0）薄膜的帶隙為正值，這也與晶態(tài)HgTe材料的負(fù)帶隙不同。

當(dāng)＞210K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)為主。a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)對組分的依賴關(guān)系與a-Se90Ge10－In[16]及a-Se0.80－Te0.20Ge[17]薄膜的暗電導(dǎo)對組分的依賴關(guān)系非常相似。a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)、激活能、指前因子等參數(shù)具有相同的變化趨勢：隨著組分增加，它們均降低。根據(jù)Mott和Davis[18]理論，暗電導(dǎo)指前因子0與局域態(tài)密度有關(guān)，局域態(tài)密度越低，0越大。對于a-Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66）薄膜樣品，0和Dad都隨著組分x增加而降低。這可能是隨著Cd組分增加，材料的無序度增大，導(dǎo)致a-Hg1－CdTe薄膜具有更高的局域態(tài)密度，因此0和Dad均降低。

表1 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗電導(dǎo)、指前因子、激活能和遷移率隙（T＝300K）

當(dāng)溫度＝210K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)與Cd組分無關(guān)。

當(dāng)＜210K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制以局域態(tài)電導(dǎo)為主。與＞210K時(shí)相反，此時(shí)隨著Cd組分增加，a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)d增大。這是因?yàn)殡S著Cd組分增加，a-Hg1－CdTe薄膜的無序度增大。根據(jù)電子局域化理論[18]，可知非晶態(tài)半導(dǎo)體的無序度越高，其局域態(tài)密度越大，載流子跳躍的幾率也越大，越有利于載流子的輸運(yùn)，局域態(tài)電導(dǎo)也越大。而在＜210K時(shí)，a-Hg1－CdTe薄膜的導(dǎo)電機(jī)制以局域態(tài)電導(dǎo)為主，因此隨著Cd組分增加，暗電導(dǎo)增大。在其他非晶態(tài)半導(dǎo)體中也觀察到類似的現(xiàn)象[19]。

隨著組分增加，a-Hg1－CdTe薄膜局域態(tài)電導(dǎo)和擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度m升高，如表2所示。對于＝0（非晶態(tài)HgTe）的電導(dǎo)機(jī)制轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)約為m＝180K。＝1（非晶態(tài)CdTe）樣品的暗電導(dǎo)在80K～300K溫度范圍內(nèi)變化很小，說明在此溫區(qū)其以局域態(tài)電導(dǎo)為主，也反映出其電導(dǎo)機(jī)制轉(zhuǎn)變溫度可能會(huì)更高（超過300K）。而＝0.22、＝0.50和＝0.66樣品的轉(zhuǎn)變溫度m很接近，分別為240K、250K和260K。

4 結(jié)論

在80K～300K溫度范圍內(nèi)，研究了a-Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66，1）薄膜暗電導(dǎo)與Cd組分的關(guān)系。研究表明：

表2 a-Hg1－xCdxTe薄膜擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)與局域態(tài)電導(dǎo)的轉(zhuǎn)變溫度Tm

①在80K～300K溫度范圍內(nèi)，a-Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66）薄膜的暗電導(dǎo)具有激活特性，且在＝300K時(shí)以擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)為主，暗電導(dǎo)和熱激活能都隨著組分增加而降低，＝1樣品（a-CdTe）的暗電導(dǎo)不具有熱激活特性。

②在不同溫度范圍，Cd組分對暗電導(dǎo)的影響不同：在高溫區(qū)（＞210K），隨著增加，暗電導(dǎo)降低；在低溫區(qū)（＜210K），則隨著增加，暗電導(dǎo)增大。而當(dāng)＝210K時(shí)，則a-Hg1－CdTe薄膜的暗電導(dǎo)幾乎與組分無關(guān)（d≈8.0×10－8Ω－1cm－1）。

③a-Hg1－CdTe薄膜中存在的擴(kuò)展態(tài)電導(dǎo)和局域態(tài)電導(dǎo)，Cd組分越大，兩種導(dǎo)電機(jī)制的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)也越高，＝0、0.22、0.50和0.66樣品的轉(zhuǎn)變溫度分別約為c＝180K、240K、250K和260K，而＝1（a-CdTe）的轉(zhuǎn)變溫度高于300K。

通過改變Cd組分值，可以改善a-Hg1－CdTe薄膜的電學(xué)特性。

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Effect of Cd Composition on the Dark Conductivity of Amorphous Hg1－CdTe Thin Films

YU Lianjie，SHI Yanli，SU Yuhui，LI Xiongjun

(,650223,)

The compositional dependence of electrical conductivity of amorphous Hg1?xCdTe(＝0, 0.22, 0.50, 0.66 and 1) thin films by RF sputtered technique in the range of 80K～300K is investigated.The results indicate that the dark conductivity decreases with Cd composition at high temperature range (＞210K), increases with Cd composition at low temperature range (＜210K) and is independent of Cd composition at＝210K. This is explained in terms of the increase in the density of defect states with increase of Cd composition in a-Hg1?xCdTe thin films. There are two conduction mechanisms in the localized states and in the extended states for the a-Hg1?xCdTefilms. The transform temperature（m）from conduction in the localized states to conduction in the extended states will rise with increase of Cd composition. The mobility band gapgof a-Hg1?xCdTe thin films is calculated as a function of Cd composition at＝300K. The mobility band gapgof a- Hg1?xCdTe thin films decreasestardily with the increase of Cd composition.

amorphous semiconductors，amorphous HgCdTe，dark conductivity，conduction mechanisms

TN304.8

A

1001-8891(2017)01-0032-04

2016-10-02；

2017-01-01.

余連杰（1977-），男，安徽臨泉人，博士，研究員級(jí)高工，主要研究方向?yàn)榧t外探測器。E-mail：lianjieyu@sina.com。

史衍麗（1969-），女，山東鄆城人，博士，博導(dǎo)，研究員，主要從事探測器的設(shè)計(jì)和研制工作。E-mail：ylshikm@hotmail.com。