CdZnTe 晶體中深能級缺陷對空間電荷分布特性的影響*

郭榕榕 林金海 劉莉莉 李世韋 王塵 林海軍

(廈門理工學院光電與通信工程學院， 福建省光電技術與器件重點實驗室， 廈門 361024)

CdZnTe 晶體內的空間電荷積累效應是影響高通量脈沖型探測器性能的關鍵因素.為了探索CdZnTe 晶體中深能級缺陷對空間電荷分布及器件性能的影響規律， 本文采用Silvaco TCAD 軟件仿真了CdZnTe 晶體內包含位置為Ev + 0.86 eV， 濃度為1 × 1012 cm—3 的深施主能級缺陷 時， 其空間電荷分布及內電場分布特性. 仿真結果表明， 隨著外加偏壓的增加， Au/CdZnTe/Au 的能帶傾斜加劇， 使得晶體內深能級電離度不斷增加， 空間電荷濃度增加， 電場分布死區減小， 從而有利于載流子收集. 此外， 保證CdZnTe 晶體高阻的前提下， 降低深能級缺陷(Ev + 0.86 eV)濃度可使內電場死區減小. 深能級缺陷位置為Ev + 0.8 eV， 亦可以減少陰極附近的空間電荷濃度， 使得電場分布更加平坦， 死區減小， 從而有效地提升載流子的收集效率.

1 引 言

CdZnTe 晶體是近年發展起來的一種最具商業潛力的室溫核輻射探測材料， 被廣泛應用于制作高能物理、醫學成像、工業探傷和核安全防護等領域的探測器和譜儀[1-3]. 對于核醫學應用的成像器件來說， 除了考慮缺陷對成像器件均勻性的影響外， 還面臨著一個更大的挑戰， 即在大計數率成像器件應用時， 要求探測器在200—2000 MHz/mm2脈沖X-ray 的照射下具有優異的響應性能[4]. CdZnTe探測器由于高的截止能量、室溫工作特性以及在較低的輻射劑量下就可以具有較高的檢測精度， 表現出更大的潛能[5]. 美國的通用(GE)、荷蘭的飛利浦(Philips)以及德國的西門子(Siemens)等國際著名的醫療器件廠商公司都已經開始設計與研制基于CdZnTe 探測器的CT， PET 和SPECT等核醫學成像的設備[6，7].

然而， 生長態CdZnTe 晶體中不可避免地存在大量的雜質和缺陷， 諸如Cd 空位、Te 反位原子、Te 間隙原子以及它們和雜質原子形成的缺陷復合體等[8-10]. 這些結構缺陷容易形成載流子的陷阱， 在探測器工作時容易造成空間電荷積累， 引起電場畸變進而產生極化效應. 嚴重的極化效應甚至會使探測器徹底失效[11，12]. 近年來的研究集中于觀測CdZnTe 晶體內電場分布特性以及測試大劑量照射下器件性能響應. Cola 和Farella[13]對CdTe晶體內部電場的研究表明， 空間電荷的積累會嚴重影響了電場分布， 進而降低了電荷收集效率. Li 等[14]研究了CdZnTe 探測器在大劑量X 射線照射下光電流特性對探測器性能的影響. Bale 等[15]、Camarda 等[16]和Musiienko 等[17]研究表明， 大劑量照射下積累的空間電荷會使探測器發生災難性的故障.對X 射線成像系統來說， 空間電荷積累所引起電場的畸變是CdZnTe 探測器面臨的一大挑戰[18，19].然而， 目前對于深能級缺陷如何影響空間電荷分布的微觀機制討論較少. 如何在引入深能級缺陷使晶體實現高阻的同時， 盡可能避免深能級缺陷帶來的不利影響， 是值得探索的一個問題. 因此， 系統掌握深能級缺陷對空間電荷分布特性的影響規律對提高器件的性能有著重要的意義. Silvaco TCAD仿真軟件可以得到半導體內部電學性能等相關信息， 在半導體性質與器件性能仿真方面有突出優勢[20-22]. 由于晶體生長的復雜性且周期性長， 為了節約人力成本， 避免不必要的浪費， 本文采用Silvaco TCAD 軟件對CdZnTe 晶體空間電荷分布等性質進行仿真， 探究深能級缺陷對空間電荷的分布以及內電場分布特性的影響規律， 從而揭示了深能級缺陷對器件性能的影響. 仿真結果將對CdZnTe 晶體生長及成像器件的制備提供一定的理論指導.

2 Silvaco TCAD 模擬基本方法描述與模型建立

Silvaco TCAD 是以物理為基礎對半導體特性進行設計和仿真的計算機輔助系統， 包含二維工藝仿真器Athena、二維器件仿真器件Atlas、器件編輯器Devedit 和三維仿真器Victory. Atlas 模擬是根據用戶設定的物理參數來生成器件， 仿真半導體器件的電學、光學和熱學特性等[23]. 本文采用Silvaco TCAD 對Au/CdZnTe/Au 結構的探測器進行(two-dimensional， 2D)數值模擬， 研究CdZnTe晶體中深能級缺陷對空間電荷分布特性的影響規律. 仿真所用Au/CdZnTe/Au 器件的結構示意圖如圖1(a)所示. 其中， CdZnTe 晶體為N 型半導體， 電子親和能為4.3 eV. Au 的功函數為5.1 eV，具體的參數如表1 所示. 本次模擬仿真采用三能級補償模型[24]， 考慮晶體內部存在淺施主， 淺受主以及深施主能級， 如圖1(b)所示. 同時定義， 淺施主能級的濃度為1.1 × 1012cm—3， 淺受主能級的濃度為1.2 × 1012cm—3， 淺施主與淺受主能級在室溫下全電離. 普遍認為摻In 的CdZnTe 晶體中， 深施主能級能級位置為Ev+ 0.86 eV[25]. 非平衡載流子在該能級上會被俘獲或者復合， 其電離后形成的空間電荷也會對電場分布特性產生一定影響， 從而影響著器件的性能. 為了研究不同深能級缺陷濃度對空間電荷分布特性的影響規律， 本文選用以下三種不同濃度的深能級信息作為仿真參數，具體如表2 所列.

圖1 (a) Au/CdZnTe/Au 器件結構示意圖； (b) CdZnTe 晶體內缺陷能級分布圖Fig. 1. (a) Schematic diagram of Au/CdZnTe/Au device structure； (b) distributions of defect energy levels in CdZnTe crystal.

表1 CdZnTe 晶體的基本參數Table 1. Basic parameters of CdZnTe crystals.

表2 深施主能級的基本信息Table 2. Basic information of deep donor energy levels.

3 仿真結果與討論

3.1 深能級缺陷對電阻率的影響

不同深能級缺陷下仿真的CdZnTe 晶體的電阻率結果如表3 所列. 與不存在深能級缺陷的晶體相比， 深能級缺陷的加入會增大晶體的電阻率. 其原因是深施主去補償多余的淺受主能級， 使載流子的濃度降低了， 費米能級也更靠近禁帶中部位置，從而使得電阻率增大[25]. 而隨著深能級缺陷濃度不斷增加， 晶體的電阻率會隨著該深能級缺陷的濃度增大而減小. 當深施主缺陷(Ev+ 0.86 eV)濃度為5 × 1011cm—3時， CdZnTe 晶體的電阻率達到1.50 × 1010Ω·cm， 滿足探測器級CdZnTe 晶體的電阻率要求.

表3 不同深能級缺陷濃度下CdZnTe 晶體的電阻率仿真結果Table 3. The resistivity of CdZnTe crystals at different deep energy level concentrations via simulation.

3.2 深能級缺陷對空間電荷分布特性及器件性能的影響

為了進一步研究深施主能級對CdZnTe 晶體內部空間電荷以及內電場分布特性的影響規律， 本文選擇深施主缺陷能級位置為Ev+ 0.86 eV， 濃度為1 × 1012cm—3條件下進行仿真， 其仿真結果如圖2 所示. CdZnTe 晶體內部不同偏壓下載流子濃度分布規律， 如圖2(a)所示. 當外加偏壓為0 V時， Au 與CdZnTe 界面處的載流子濃度低于體內的載流子濃度. 結合熱平衡條件下Au/CdZnTe/Au 的能帶圖(如圖3(a)所示)可知， 當金屬Au和n 型CdZnTe 晶體接觸時， 因為金屬Au 的功函數大于半導體CdZnTe 的功函數， 電子從半導體向金屬流動， 金屬的一側聚集負電荷， 而半導體的一側聚集正電荷. 積累的正電荷從半導體表面向內部延伸一定的厚度， 形成空間電荷區. 亦即Au 與CdZnTe 接觸界面處存在一定的載流子耗盡區， 使得這部分電子的濃度低于CdZnTe 晶體體內電子濃度. 與此同時， 空間電荷區的存在形成內建電場，其電場的方向由半導體指向金屬， 因而造成一定的能帶彎曲. 隨著外加偏壓的增大， 晶體內載流子的濃度呈現出不均勻分布趨勢. 這與外加偏壓下Au/CdZnTe/Au 能帶傾斜有關. 如圖3(b)所示，當外加偏壓大于0 時， 由于外加電場的作用，Au/CdZnTe/Au 能帶發生由陰極向陽極逐漸傾斜的趨勢， 從而使器件內載流子的濃度呈現不均勻分布.

圖2 不同偏壓下的Au/CdZnTe/Au 器件仿真結果 (a) 載流子濃度分布； (b) 深施主的電離濃度分布； (c) 空間電荷濃度分布；(d) 內部電場強度分布變化規律Fig. 2. Simulation results of Au/CdZnTe/Au device under different bias voltages： (a) Distribution of carrier concentration； (b) density of ionized deep donors； (c) distribution of space charge concentration； (d) distribution of internal electric field intensity.

載流子濃度的改變直接影響深能級的電離濃度[26]. 圖2(b)為不同偏壓下， 深能級電離濃度的分布圖. 晶體中深施主能級總濃度為1 × 1012cm—3.根據圖2(b)仿真結果顯示， 在熱平衡下晶體內部已電離的深施主能級濃度約為1 × 1011cm—3， 即大概有10%的深施主能級發生了電離. 與此同時， 根據仿真結果可得， 熱平衡下晶體費米能級位于Ev+0.9 eV， 深施主能級的位置為Ev+ 0.86 eV. 因此，熱平衡下， 費米能級處于深能級上方， 深施主能級發生了部分電離. 未電離的深施主能級被電子所占據著， 呈現中性態. 其能帶示意圖如圖3(a)所示.由圖2(b)可知， 晶體內陽極附近的區域， 同一個位置的深施主電離濃度隨著外加偏壓的增大而減小，而其余的區域， 同一個位置的深施主電離濃度則隨著外加偏壓的增大而增大. 這可能與外加偏壓作用下Au/CdZnTe/Au 能帶傾斜有關， 其趨勢如圖3(b)所示. 在傾斜的能帶中， 深能級處于費米能級上方， 意味著深能級被電子占據的概率下降， 則深能級缺陷傾向于發射電子， 即深能級發生電離.深施主能級電離后留下不可移動的正電中心， 聚集產生空間電荷區， 如圖3(c)所示. 因此， 在外加偏壓作用下， 晶體內空間電荷濃度分布也呈現陰極到陽極逐漸減小趨勢， 且晶體中的空間電荷濃度隨著外加偏壓的增加而增大. 原因是晶體內部的空間電荷主要是來源于深施主能級的電離后的正電中心.即外加偏壓增大， 使得能帶傾斜越厲害， 從而深施主電離的概率越大， 其空間電荷濃度也就越多. 由圖2(c)可知， 在熱平衡條件下空間電荷區約為50 μm.當電壓為100 V， 幾乎整個探測器的體積都受到正空間電荷的影響. 與此同時， 隨著外加電壓的增大，能帶傾斜越厲害， 此時陽極區域的勢壘不斷下降.因此， 陽極區域的空間電荷濃度隨著外加電壓的增大而減小.

圖3 Au/CdZnTe/Au 器件內能帶和內部電場分布示意圖 (a) 熱平衡的Au/CdZnTe/Au 能帶結構圖； (b) U ＞ 0 的Au/CdZnTe/Au 能帶結構圖； (c) 內部電場分布示意圖Fig. 3. Energy-band diagram and internal electric field distribution in Au/CdZnTe/Au device： (a) Au/CdZnTe/Au energy-band diagram in thermal equilibrium； (b) Au/CdZnTe/Au energy-band diagram under U ＞ 0； (c) schematic diagram of internal electric field distribution.

器件內部空間電荷與電場關系滿足如下泊松方程式：

式中，φ為靜電勢，E為電場，εS為介電常數，為已電離的淺施主能級濃度，為已電離的淺受主能級濃度，為已電離的深施主能級濃度，n(p)為自由電子(空穴)的濃度. 由泊松方程可得器件內電場強度分布， 如圖2(d)所示. 當外加偏壓大于0 時， 內部電場強度分布由陰極向陽極逐漸減小的趨勢， 深施主的電離率越大的區域， 其空間電荷濃度越大， 即內部電場越大. 與此同時， 陰極區域空間電荷所形成的內建電場與外加電場同向， 呈現三角形線性傾斜. 陽極區域空間電荷產生的內建電場與外加電場方向相反. 相互抵消后， 該區域電場強度特別弱， 形成死區. 死區對光生載流子的輸運有較大的影響， 如圖3(c)所示. 在死區中， 擴散是載流子唯一的驅動力. 這就增加了載流子在到達電極兩端過程中被復合的概率， 從而使探測器的載流子收集效率降低.

綜上， 外加電壓時， Au/CdZnTe/Au 器件整體的能帶結構呈現由陰極向陽極逐漸傾斜的趨勢， 且界面處能帶彎曲對載流子的收集存在一定的影響.隨著外加電壓逐漸增大， 陰極勢壘逐漸增大， 越有利于空穴從半導體進入陰極， 即空穴在陰極很容易被收集； 與此同時， 陽極勢壘不斷降低， 越有利于電子從半導體進入陽極， 即電子在陽極很容易被收集. 隨著外加電壓的增大， 耗盡區的區域逐漸增大，死區的區域在不斷的減小， 越有利于探測器對載流子的收集.

3.3 深能級缺陷濃度對空間電荷分布特性的影響

晶體內部深能級缺陷的存在會對內電場分布產生較大影響. 為了進一步了解不同濃度的深能級缺陷對空間電荷分布特性及器件性能的影響規律，仿真了位置為Ev+ 0.86 eV， 深施主能級缺陷濃度分 別 為5 × 1011， 1 × 1012和1 × 1013cm—3的CdZnTe 探測器在100 V 外加偏壓下， 其空間電荷分布及內電場分布， 具體仿真結果如圖4 所示. 由圖4(a)可以看出， 100 V 偏壓下Au/CdZnTe/Au器件內空間電荷分布呈現由陰極向陽極逐漸減小的趨勢， 且在陽極區域附近空間電荷濃度很小， 近乎為0. 在陰極附近區域， 空間電荷的濃度隨著深施主能級的濃度的增大而不斷增大. 由圖4(b)可知， 當深施主能級濃度為1 × 1013cm—3時， 內部電場變得陡峭. 在陰極區域電場強度很大， 且死區的區域最大. 這樣的內部電場分布， 使得大部分的光生載流子(電子)無法通過漂移被陽極收集. 大量的電子在死區內只能靠濃度梯度擴散輸運， 使得這部分載流子被晶體內部的缺陷俘獲或者復合的概率急劇增大， 從而嚴重影響著探測器的載流子收集效率.

圖4 100 V 偏壓下Au/CdZnTe/Au 器件不同深施主濃度下的 (a) 空間電荷分布特性； (b) 內部電場分布特性Fig. 4. Space charge distributions (a) and internal electric field distribution (b) of Au/CdZnTe/Au devices with different deep donor concentrations under bias of 100 V.

3.4 不同位置的深能級缺陷對空間電荷分布特性的影響

為了得到不同位置的深能級缺陷對空間電荷分布特性及器件性能的影響規律. 本節仿真了CdZnTe 晶體深施主能級缺陷濃度為1 × 1012cm—3，位置分別為Ev+ 0.80，Ev+ 0.82 和Ev+ 0.86 eV時， 且在100 V 外加偏壓下其內部空間電荷分布及內電場分布圖， 仿真結果如圖5 所示. 由仿真得到深施主能級位于Ev+ 0.80，Ev+ 0.82 和Ev+0.86 eV 時， 晶體的電阻率分別為6.85 × 1010， 3.19 ×1010和6.66 × 109Ω·cm， 都滿足探測器級CdZnTe晶體的電阻率要求. 由圖5(a)可知， 在100 V 的偏壓下， 陰極區域附近的空間電荷濃度隨著深施主能級位置的增大而增大， 而陽極區域和陰極區域的相反. 原因是深施主能級位置越接近于導帶， 如上文所述在外加偏壓作用時， 能帶發生傾斜， 其深施主能級缺陷的電離濃度就越大. 且位置為EV+ 0.86 eV 的施主能級在陽極附近的出現空間電荷近乎為0 的區域. 由圖5(b)可知， 當深施主能級位置為EV+ 0.80 eV 時， 內部電場較平坦， 在陰極區域的電場強度最小， 且無死區的區域. 亦即在100 V 的偏壓下， 器件完全工作在耗盡層內， 則光生載流子就可以通過漂移的方式快速地到達兩端的電極， 從而大大減小在輸運過程中被俘獲或者復合的概率，進而提升了載流子的收集效率.

圖5 100 V 偏壓下Au/CdZnTe/Au 器件不同深施主位置下的 (a) 空間電荷分布特性； (b)內部電場分布特性Fig. 5. Space charge distributions (a) and internal electric field distribution (b) of Au/CdZnTe/Au devices with different depths of deep donor under bias of 100 V.

4 結 論

本文采用半導體器件仿真軟件TCAD 系統分析了CdZnTe 晶體內深能級缺陷濃度、位置以及外加偏壓對空間電荷分布特性及器件性能的影響. 仿真結果表明當增大器件的外加偏壓時， Au/CdZnTe/Au 結構整體的能帶結構呈現由陰極下陽極逐漸傾斜的趨勢. 晶體內的空間電荷濃度隨著外加偏壓的增加而增大， 死區逐漸減小， 從而大大降低光生的載流子被俘獲或者復合的概率， 進而有助于提高器件中載流子的收集效率. 在保證CdZnTe晶體電阻率高阻為前提下， 位于EV+ 0.86 eV 的深能級缺陷， 其濃度降低為5 × 1011cm—3時， 陰極附近區域的空間電荷濃度降低， 死區減小， 晶體內部電場更加平坦， 進而有助于提升載流子的收集效率. 與此同時， 當深能級位置為EV+ 0.80 eV 時，內部電場較平坦， 且無死區存在. 亦即在100 V 的偏壓下， 器件可完全工作在耗盡層內， 則光生載流子就可以通過漂移的方式快速地到達兩端的電極，從而大大減小在輸運過程中被俘獲或者復合的概率， 進而提升載流子的收集效率.