CdTe半导体中的位错缺陷研究文献综述
2020-04-15 16:52:18
CdTe（碲化镉）是一种重要的II-VI族化合物半导体，具有直接跃迁型能带结构，被广泛应用于各种类型电子器件和光电子器件的制作, 如场效应管、晶体管、半导体光源、光电探测器以及太阳能电池。常见的碲化镉晶体有两种晶体结构，分别为立方晶系的闪锌矿结构和六方晶系的纤锌矿结构[1]。
然而实际CdTe晶体中不可避免地存在各种类型的缺陷。晶体的缺陷会导致晶体材料电子结构的改变，对材料本身及材料所构成器件的光电特性产生显著影响。
电活性吸收载流子密度与材料缺陷密度直接相关。在具有高载流子浓度的半导体材料中, 点缺陷(pointdefect, PD)态很容易达到饱和, 但广延缺陷(extendeddefect, ED)引入的局域态密度非常高, 仅通过增加载流子注入密度无法实现饱和[2]。这些缺陷表现为位错（dislocations）、孪晶（twins）、和其他非辐射性缺陷，但主要表现为位错[3]。在光激发或电注入条件下，产生的自由电子和空穴会自发的向低浓度区域扩散，但晶体位错缺陷会在价带和导带之间引入缺陷能级，缺陷附近的载流子将被捕获并重新复合。缺陷所导致的捕获和复合一方面导致非辐射复合增加，使载流子寿命降低，另一方面增加漏电流而加大了器件的噪声[4]。因此对于位错缺陷的研究对于改善器件结构、优化系统性能有重要意义。
光致发光（photoluminescence, PL）、阴极发光（cathodoluminescence, CL）、电子束诱导电流（electron-beam-induced curren, EBIC）及电子束感生电流等显微探测技术是研究EDs类位错和晶体缺陷附近载流子运动的重要手段[5]。光致发光、阴极发光和电致发光的强度分布与少数载流子扩散长度成一一对应关系，通过对光信号空间强度的分析可以测定材料中载流子的扩散长度，借此可以迅速定位到缺陷位置[6]。此外, 由于晶格振动的拉曼光谱对晶体的结晶度十分敏感, 人们也常采用拉曼散射光谱技术研究晶体的晶格损伤。Shahram Seyedmohammadi，Michael J. DiNezza，Shi Liu等[3]采用c-PL(confocal photoluminescence)测试分析了虚拟晶圆(virtual wafers)上生长的CdTe/CdZnTe双异质结结构的平均缺陷密度水平。吕恒，胡昌奎，陈凤翔[2,6]采用大视场PL光谱成像及扫描PL光谱分析，高效定位了半导体材料中的广延缺陷并通过PL和拉曼散射研究了缺陷对载流子运动的影响。胡亮[7]对ZnO稀磁半导体缺陷结构的磁学操纵与光电响应性能进行了研究。伍剑明[8]基于第一性原理计算方法模拟研究了CdTe半导体的缺陷和掺杂特性。武莉莉, 张静全, 刘才等[9]采用光致发光PL测试CdTe薄膜内部的深/浅能级的信息，采用深能级瞬态谱DLTS和变幅电容分布DLCP技术表征了CdTe电池内部杂质能级的位置、俘获截面和密度。李强[10]对CdTe半导体的结晶度对薄膜电池的弱光性能和软换效率进行了分析。{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}实验样品采用CdZnTe/CdTe/CdZnTe或CdMgTe/CdTe/CdMgTe双异质结结构，目的是将光生载流子限制在CdTe层，从而减少界面复合以得到类似于体材料的特性。实验首先采用扫描光致发光光谱强度来探测缺陷的空间位置，通过低分辨率大视场模式快速扫描缺陷，由于缺陷所导致的载流子捕获和复合，会导致缺陷周围的PL信号强度相对较弱，在视场中即体现为黑斑。对发现的疑似缺陷进行光致发光光谱准确成像，分析得到缺陷的准确定位后，对单个缺陷分别进行拉曼测试和不同激发光强度梯度的PL测试。为保证结果的可靠性，对样品中不同缺陷点和不同样品中的位错缺陷进行重复测试，收集整理实验数据，通过Matlab对数据进行分析和拟合，导出位错缺陷区域的光致发光强度空间分布和拉曼特性曲线，进一步推算位错缺陷对载流子扩散运动的影响。
实验是采用HoribaLabRAM HR800显微共焦拉曼系统，测试实验在室温下进行。在该实验系统中，波长532nm的激光束由100×显微物镜（NA＝0.9）聚焦为近衍射极限的光斑，其直径约为720 nm，激光功率连续可调，PL信号和拉曼信号通过CCD探测器接收。样品移动是通过二维精密电动工作台来操纵，以实现对样品的逐点扫描测试[2]。
3. 参考文献[1] 赵志强, 李彦磊, 孙柱柱, 等. 薄膜太阳电池[M]. 北京: 科学出版社,2018.1:89.
[2] 吕恒，胡昌奎，陈凤翔. 砷化镓广延缺陷的拉曼散射[J]. 物理学报, 2018, 67(5): 056103.
[3] Shahram Seyedmohammadi,Michael J. DiNezza, Shi Liu, et al. Molecular beam epitaxial re-growth of CdTe,CdTe/CdMgTe and CdTe/CdZnTe double heterostructures on CdTe/InSb(100)substrates with As cap[J]. Journal of Crystal Growth, 2015, 425: 181.
[4] Chen F, Zhang Y, Gfroerer T H,et al. Spatial resolution versus data acquisition efficiency in mapping aninhomogeneous system with species diffusion[J]. Scientific Reports, 2015, 5: 10542.
[5] Gfroerer T H , Zhang Y ,Wanlass M W . An extended defect as a sensor for free carrier diffusion in asemiconductor[J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(1): 19.
