專利名稱：一種檢測(cè)碲鎘汞薄膜光伏器件有害界面電荷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及碲鎘汞(HgCdTe)薄膜光伏器件的性能測(cè)量，具體是指一種HgCdTe 薄膜光伏器件的HgCdTe/CdTe界面有害電荷的測(cè)量方法。
技術(shù)背景Hg卜ALTe是制備中波(3-5 Mm)和長(zhǎng)波(8-14 Mm)紅外焦平面器件重要的材料， 廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天等領(lǐng)域。盡管碲鎘汞材料的制備工藝日趨成熟，但是 在以GaAs為襯底的CdTe緩沖層上生長(zhǎng)碲鎘汞仍然不可避免的出現(xiàn)相當(dāng)數(shù)量的固定 界面電荷，其密度與工藝密切相關(guān)。電荷密度難以控制，且可正可負(fù)，在通常情 況下不能精確地知道其密度值。由于HgCdTe是窄禁帶半導(dǎo)體材料，固定電荷將影 響HgCdTe/CdTe界面處的能帶結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同的固定電荷的極性和密度，在 HgCdTe/CdTe的界面處能夠分別形成積累、耗盡甚至反型層，從而影響器件的響應(yīng) 率和性能。例如，對(duì)于常見(jiàn)的n-on-p型光伏探測(cè)器，如果HgCdTe/CdTe界面電荷為 正時(shí)，能帶向下彎，界面的P型區(qū)開(kāi)始耗盡；當(dāng)界面電荷密度到達(dá)2X10"1 cm—2后， 將在界面形成反型n區(qū)，即在界面處形成界面電荷誘導(dǎo)結(jié)。當(dāng)光從襯底背入射，在 界面處產(chǎn)生光生載流子，有部分的光生載流子將被誘導(dǎo)結(jié)電場(chǎng)分開(kāi)，產(chǎn)生的光生 電動(dòng)勢(shì)與pn結(jié)光生電動(dòng)勢(shì)相反，界面電荷密度進(jìn)一步增加將導(dǎo)致誘導(dǎo)結(jié)的耗盡層 寬度增加，在這一厚度內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子被誘導(dǎo)結(jié)分開(kāi)，因此器件響應(yīng)率將急 劇減小，此時(shí)的正界面電荷就是一種有害界面電荷，它直接降低了探測(cè)器的響應(yīng) 率。而當(dāng)界面電荷為負(fù)時(shí)，碲鎘汞能帶向上彎，將在HgCdTe/CdTe界面形成積累層，大，為此對(duì)于這類界面電荷是否存在，器件研制并不關(guān)注。提高HgCdTe器件的性能一直是器件工作者所不停追求的目標(biāo)，因此，研究碲鎘汞 的界面，發(fā)展有關(guān)碲鎘汞界面的理論，對(duì)于改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，以 及指導(dǎo)人們探索新型器件都有著十分重要的意義。目前，檢測(cè)界面電荷是采用傳統(tǒng)的電學(xué)C-F法，其原理是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的C-F 特性曲線和理論C-辟寺性曲線的偏移量來(lái)判斷界面固定電荷的密度強(qiáng)弱。這種方法 給出的是界面電荷的綜合信息，而不能獨(dú)立地分離性地給出對(duì)器件光電響應(yīng)有影 響的界面電荷信息，而對(duì)于光伏探測(cè)器，人們最關(guān)心的正是會(huì)影響器件光電響應(yīng) 的有效界面電荷，即有害界面電荷，而對(duì)于非有害界面電荷則可以暫且不管，因 為對(duì)于器件光電響應(yīng)無(wú)影響的非有害界面電荷對(duì)于優(yōu)化器件性能并不重要。由于 傳統(tǒng)的電學(xué)C-K方法無(wú)法提取同器件光電響應(yīng)相關(guān)的界面電荷信息，極大地限制 了C-F法在實(shí)際測(cè)量中的作用，因此，人們期望一種更有效的獲取界面電荷信息 的方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是要提出一種獲取有害界面電荷信息的方法。該方法是基于 時(shí)間分辨瞬態(tài)光伏信號(hào)的方法來(lái)檢測(cè)HgCdTe薄膜器件有害界面電荷的極性并判斷 其強(qiáng)弱狀態(tài)。這種方法可以直接提取出電學(xué)C-仿法無(wú)法獲取的直接影響器件光電 響應(yīng)性能的有害界面電荷。本發(fā)明的方法是利用一束光子能量大于帶隙的超快脈沖激光背照射HgCdTe器 件，利用界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)與pn結(jié)電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間維度上將依次出 現(xiàn)的原理而提出，可直觀地觀測(cè)界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)，并據(jù)此判 斷界面電荷的極性和強(qiáng)弱。其步驟如下§1調(diào)節(jié)入射激光，使其經(jīng)過(guò)光欄后照射在杜瓦內(nèi)的HgCdTe器件的背面，用同軸電纜連接杜瓦上的器件信號(hào)輸出端和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的輸入端。入射激光采用超快脈沖激光，超快脈沖激光的脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于被測(cè)器件光生載流子擴(kuò)散進(jìn)入pn結(jié)空間電荷區(qū)的時(shí)間，為小于100ns;光子能量要大于被測(cè) 器件的帶隙；重復(fù)頻率應(yīng)滿足使被測(cè)器件從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，為小于lkHz。§2打開(kāi)數(shù)字存儲(chǔ)示波器，脈沖激光沒(méi)有照射樣品時(shí)，兩端的電壓為0 mV， 器件處于平衡態(tài)。§ 3打開(kāi)激光器，立刻在示波器上顯示光伏器件兩電極間的瞬態(tài)光伏信號(hào)時(shí)間 演化關(guān)系，根據(jù)外電路測(cè)量到的界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)和pn結(jié)電場(chǎng)形成光生電動(dòng)勢(shì)在 時(shí)間維度上被分離，界面電荷誘導(dǎo)形成的光生電動(dòng)勢(shì)比pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成光生電 動(dòng)勢(shì)先出現(xiàn)，因此先出現(xiàn)的光生電動(dòng)勢(shì)為界面電荷誘導(dǎo)形成的；當(dāng)界面電荷誘導(dǎo) 光生電動(dòng)勢(shì)與冶金pn界內(nèi)建電勢(shì)方向相反，據(jù)此可以判斷出界面電荷的極性為正 電荷，即為有害界面電荷，以及根據(jù)界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)的大小 可以判據(jù)界面電荷的強(qiáng)弱。本發(fā)明基于的原理是從HgCdTe/CdTe界面不存在界面電荷的理想情況出發(fā)， 當(dāng)超快脈沖激光照射器件后，入射光主要在距離界面很近的地方被吸收，光強(qiáng)呈 指數(shù)形式衰減，相應(yīng)的光生電子-空穴對(duì)的濃度隨光照方向呈指數(shù)衰減形成指向體 內(nèi)的濃度梯度，光生非平衡載流子向體內(nèi)擴(kuò)散。在HgCdTe材料中， 一般認(rèn)為電子 的遷移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，由于載流子遷移率不同導(dǎo)致的Dember電動(dòng)勢(shì)和 pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)的方向相同，均為p區(qū)指向n區(qū)。此時(shí)，對(duì)于n-on-p 型光伏探測(cè)器將形成如圖3所示的瞬態(tài)光伏信號(hào)。當(dāng)HgCdTe/CdTe界面存在電荷時(shí)，HgCdTe界面處的能帶彎曲形成界面電荷誘 導(dǎo)電場(chǎng)，方向與pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)方向相反或相同。光生載流子主要在距界面很近深 度范圍內(nèi)產(chǎn)生，界面電荷誘導(dǎo)的耗盡層中光生電子空穴對(duì)首先被界面電場(chǎng)分離，形成光生電動(dòng)勢(shì)。隨后光生載流子向體內(nèi)擴(kuò)散，在pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下光生電 子運(yùn)動(dòng)到n區(qū)而光生空穴積累在p區(qū)，形成光生電動(dòng)勢(shì)。由于初始光生載流子的 濃度分布和載流子的擴(kuò)散作用，外電路測(cè)量到的界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)和pn結(jié)形成光 生電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間維度上被分離，界面電荷誘導(dǎo)結(jié)電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)比pn結(jié)內(nèi) 建電場(chǎng)形成光生電動(dòng)勢(shì)先出現(xiàn)。依賴于界面電荷極性，界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)與pn結(jié) 內(nèi)建電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)方向相同或相反，相應(yīng)地，外電路測(cè)量到的光生電動(dòng) 勢(shì)為單一極性的光伏信號(hào)或正負(fù)峰共存的光伏信號(hào)。利用示波器記錄光伏器件兩 電極間的瞬態(tài)光伏信號(hào)時(shí)間演化關(guān)系，并對(duì)界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)和pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)所 形成的光生電動(dòng)勢(shì)的指認(rèn)，可以判斷界面電荷的極性。同時(shí)，界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng) 形成的光生電動(dòng)勢(shì)大小同電荷密度相關(guān)，依據(jù)瞬態(tài)光伏信號(hào)中界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng) 形成的光生電動(dòng)勢(shì)的大小可以判據(jù)界面電荷的強(qiáng)弱。本測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是可以方便、快速、無(wú)損傷判斷對(duì)器件性能是否有影響 的界面電荷及界面電荷的強(qiáng)弱。


圖1為本實(shí)施例所測(cè)量的器件結(jié)構(gòu)。圖2為CdTe/HgCdTe界面不存在界面電荷的理想情況下超快脈沖激光照射器件 后的瞬態(tài)光伏信號(hào)。圖3為本實(shí)施例界面電荷為正時(shí)的瞬態(tài)光伏信號(hào)。圖4為利用SENTAURUS軟件模擬弱的連續(xù)光照射下HgCdTe/CdTe的界面處 無(wú)界面電荷與界面正電荷密度為lx1012 cm—2時(shí)光譜曲線的對(duì)比。
具體實(shí)施方式
下面以Hg。.7。2Cd .298Te薄膜光伏器件為實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方 式作詳細(xì)說(shuō)明所測(cè)樣品為分子束外延生長(zhǎng)的平面結(jié)HgCdTe線列光伏探測(cè)器，見(jiàn)圖l。 p型 Hg。,7。2Cd。Te生長(zhǎng)在以GaAs為襯底的CdTe緩沖層上。在p型表面注入硼離子， 形成n+型突變n+-p結(jié)。樣品被倒焊在藍(lán)寶石基板上?？烧{(diào)諧脈沖激光采用立陶宛EKSPLA公司生產(chǎn)的PL2143BSS Nd:YAG激光器泵 浦PG401/DFG光學(xué)參量產(chǎn)生器/差頻放大器，激光脈沖寬度為30ps，重復(fù)頻率10 Hz，調(diào)節(jié)其輸出波長(zhǎng)至4.5 iim。經(jīng)計(jì)算，4.5 y m入射波長(zhǎng)下Hg .7。2Cd。.298Te的吸 收系數(shù)為"4— =4870cm_1, Hg。.7。2Cd。.298Te材料的厚度d約為10 u m，〖"4》> 1,所以入射激光主要在距CdTe/HgCdTe界面2 Pm的地方被吸收，光生電子-空穴對(duì)濃 度將形成隨光照方向呈指數(shù)衰減并指向體內(nèi)的濃度梯度。超快脈沖激光脈沖的寬 度為30 ps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光生載流子擴(kuò)散進(jìn)入pn結(jié)空間電荷區(qū)的時(shí)間。測(cè)量到的光電信號(hào)通過(guò)杜瓦上同軸電纜輸入Agilent Infmiium 54832B數(shù)字存 儲(chǔ)示波器。圖3為此實(shí)施例測(cè)量得的瞬態(tài)光伏信號(hào)，可將其分為4個(gè)階段脈沖激光沒(méi) 有照射樣品時(shí)，兩端的電壓為0 mV，器件處于平衡態(tài)。在t:L階段，30 ps脈沖 激光照射在器件上，形成了載流子的濃度梯度分布；在t^2階段，脈沖激光照射 結(jié)束后瞬態(tài)光伏信號(hào)出現(xiàn)了一個(gè)顯著的迅速下降的光伏信號(hào)，并在5 ns時(shí)間內(nèi)達(dá) 到瞬態(tài)光伏信號(hào)反向電壓的最大值-51 mV，根據(jù)前面的分析，此光伏信號(hào)為界面 電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)分離光生載流子形成；在tU介段，瞬態(tài)光伏信號(hào)從反向電壓的最 大值緩慢增加達(dá)到正向電壓的極大值15 mV，在40 ns時(shí)間內(nèi)完成了電極性反轉(zhuǎn)， 此過(guò)程為pn結(jié)電場(chǎng)分離光生載流子以及界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)分離的光生載流子開(kāi)始 復(fù)合形成；在tt4階段，光伏信號(hào)從極大值15 mV以時(shí)間常數(shù)r-i C的指數(shù)形式 逐漸衰減最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，此過(guò)程為器件中的光生載流子復(fù)合形成。由于外電路測(cè) 量到的界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)和pn結(jié)電場(chǎng)形成光生電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間維度上被分離，界面電荷誘導(dǎo)形成的光生電動(dòng)勢(shì)比pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成光生電動(dòng)勢(shì)先出現(xiàn)，所以可以指 認(rèn)出負(fù)的光生電動(dòng)勢(shì)為界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)產(chǎn)生，而正的光生電動(dòng)勢(shì)為pn結(jié)內(nèi)建電 場(chǎng)產(chǎn)生。這說(shuō)明界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)與冶金pn界內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，據(jù)此可以判斷 出界面電荷的極性為正電荷，即為有害界面電荷。并且可以預(yù)期界面電荷密度越 強(qiáng)其形成的反向光生電動(dòng)勢(shì)幅度越大。為進(jìn)一步證明我們方法的可行性，我們假設(shè)CdTe/HgCdTe的界面處界面正電 荷密度為lxl012Cm—2和無(wú)界面正電荷，利用SENTAURUS軟件模擬穩(wěn)態(tài)光照下器件的 響應(yīng)率譜，見(jiàn)圖4，從中可以看出，正界面電荷的存在使光伏信號(hào)的響應(yīng)率大幅減 小，可知CdTe/HgCdTe界面正電荷對(duì)響應(yīng)率存在較大影響。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)碲鎘汞薄膜光伏器件有害界面電荷的方法，其特征在于步驟如下§A調(diào)節(jié)入射激光，使其經(jīng)過(guò)光欄后照射在杜瓦內(nèi)的HgCdTe器件的背面，將同軸電纜電連接于杜瓦上的器件信號(hào)輸出處和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的輸入端；入射激光采用超快脈沖激光，超快脈沖激光的脈沖寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于被測(cè)器件光生載流子擴(kuò)散進(jìn)入pn結(jié)空間電荷區(qū)的時(shí)間，為小于100ns；光子能量要大于被測(cè)器件的帶隙；重復(fù)頻率應(yīng)滿足使被測(cè)器件從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，為小于1kHz；§B打開(kāi)數(shù)字存儲(chǔ)示波器，脈沖激光沒(méi)有照射樣品時(shí)，兩端的電壓為0mV，器件處于平衡態(tài)；§C打開(kāi)激光器，立刻在示波器上顯示光伏器件兩電極間的瞬態(tài)光伏信號(hào)時(shí)間演化關(guān)系，根據(jù)外電路測(cè)量到的界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)和pn結(jié)電場(chǎng)形成光生電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間維度上被分離，界面電荷誘導(dǎo)形成的光生電動(dòng)勢(shì)比pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成光生電動(dòng)勢(shì)先出現(xiàn)，指認(rèn)先出現(xiàn)的光生電動(dòng)勢(shì)為界面電荷誘導(dǎo)形成的；當(dāng)界面電荷誘導(dǎo)光生電動(dòng)勢(shì)與冶金pn界內(nèi)建電勢(shì)方向相反，據(jù)此判斷出界面電荷的極性為正電荷，即為有害界面電荷，以及根據(jù)界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)的大小判據(jù)界面電荷的強(qiáng)弱。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種檢測(cè)碲鎘汞薄膜光伏器件有害界面電荷的方法，該方法是利用一束光子能量大于被測(cè)器件帶隙的超快脈沖激光背照射HgCdTe器件，利用數(shù)字示波器測(cè)量光伏器件兩電極間的瞬態(tài)光伏信號(hào)與時(shí)間的演化關(guān)系，根據(jù)外電路測(cè)量到的界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)和pn結(jié)電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)在時(shí)間維度上被分離，通過(guò)對(duì)界面電荷誘導(dǎo)電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)和有冶金pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)形成的光生電動(dòng)勢(shì)的指認(rèn)，可以較方便地獲取對(duì)器件光電響應(yīng)有很大影響的界面電荷的信息。這是一種方便、快速、無(wú)損傷的鑒別方法，對(duì)于改善器件性能，提高器件穩(wěn)定性，以及指導(dǎo)人們探索新型器件都有著十分重要的意義。
文檔編號(hào)G01R29/24GK101221203SQ200710172700
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者葉振華, 崔昊楊, 波 張, 寧 李, 李天信, 李志鋒, 甄紅樓, 胡偉達(dá), 胡曉寧, 衛(wèi) 陸, 陳平平, 陳效雙 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所