Cd组分x对非晶态Hg1－xCdxTe薄膜暗电导的影响

余连杰，史衍丽，苏玉辉，李雄军



Cd组分对非晶态Hg1－CdTe薄膜暗电导的影响

余连杰，史衍丽，苏玉辉，李雄军

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

利用射频溅射方法制备了非晶态Hg1－CdTe薄膜（＝0, 0.22, 0.50, 0.66, 1），在80K～300K温度范围内，研究了Cd组分对暗电导的影响。当温度＞210K时，随着Cd组分增加，暗电导减小；当温度＜210K，随着Cd组分增加，则暗电导增大；当温度＝210K时，暗电导几乎与Cd组分无关。这可能是由于随着Cd组分增加，薄膜中的缺陷增加所致。a-Hg1－CdTe（＝0、0.22、0.50、0.66和1）薄膜中存在扩展态电导和局域态电导，Cd组分越大，两种导电机制的转变温度m也越高。在＝300K时，利用暗电导的激活能估算出了非晶态Hg1－CdTe薄膜的迁移率隙g，随着Cd组分增加，迁移率隙g微弱减小。

非晶态半导体；非晶态碲镉汞；暗电导；导电机制

0 引言

Te基非晶态半导体材料由于具有卓越的光电性能，可以作为红外窗口和图像记录等材料[1]。在光电器件和太阳能量电池方面存在广阔的应用前景，是一种重要的光电材料，近年来逐渐受到科学家们的关注。这类材料的共同特点是缺乏长程序，迁移率隙中存在局域态和本身固有的缺陷[2-3]。

通过改变组分值，可以改变晶态碲镉汞（Hg1－CdTe）材料的光电性能以及探测器的响应波段范围[4]，50多年来其在红外探测器应用方面取得了很大进展，仍是目前最重要的第三代红外探测材料之一[5]。非晶态Hg1－CdTe（简称a-Hg1－CdTe）薄膜因其对衬底无选择性，可大面积生长，且对短波红外具有光电响应近年来开始受到关注[6-10]。暗电导是非晶态半导体的一个非常重要的电学参数，我们曾对非晶态HgCdTe暗电导的温度特性进行过详细的研究[9]。通过改变组分，可以改善非晶态半导体的物理性能[11-15]。但是改变Cd组分，对非晶态Hg1－CdTe薄膜的电学性质有何影响以及影响规律？

本文利用射频磁控溅射技术制备了a-Hg1－CdTe（＝0, 0.22, 0.50, 0.66, 1）薄膜，在80K～300K温度范围内，研究了组分对暗电导的影响。

1 a-Hg1－xCdxTe薄膜的制备

为了精确测量a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导，设计了方形电极结构，如图1所示，电极厚度＝2mm，电极长度为＝250mm，电极间距为＝28mm[6-7,9]。首先在宝石衬底上制备出金电极，然后以多晶态Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66，1）材料为溅射靶材，利用射频磁控溅射技术在宝石衬底上制备a-Hg1－CdTe薄膜，薄膜厚度为＝1.5mm。在溅射过程中，衬底温度为10℃，气体压强约为1Pa，溅射功率约10W。

a-Hg1－CdTe薄膜的XRD衍射图中没有出现晶体材料所具有的衍射峰，表明其具有非晶态半导体的特性。把样品封装在液氮变温杜瓦瓶内，80K～300K温度范围内的-特性测量结果表明，在－20V～＋20V偏压范围内，样品具有良好的欧姆接触特性。利用-测试仪器测量样品的暗电流d，通过计算得到样品的暗电导值。利用控温仪控制样品温度，每间隔10K测量一组数据，得到不同温度时的暗电导值。

图1 a-Hg1－xCdxTe薄膜电导测量样品结构

2 实验结果

2.1 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗电导与温度的关系

在80K～300K温度范围内，a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导与温度的关系曲线如图2所示。样品编号分别为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）。

结果表明，不同Cd组分＝0，0.22，0.50，0.66的a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导具有相同的变化趋势：即随着温度升高，暗电导增大，表明其具有热激活特性。＝80K时暗电导最小，而＝300K时暗电导最大。在80K～300K温度范围内，Cd组分越小，暗电导变化越显著：＝0（a-HgTe）变化约4个数量级，＝0.22变化约350倍，＝0.50变化约60倍，＝0.66样品变化约12倍。而Cd组分＝1的样品（a-CdTe）的暗电导随着温度升高，先增大后降低，约在＝120K时，达到最大值（d≈1.0×10－7Ω－1cm－1）。在所研究温度范围内，＝1样品（a-CdTe，a-MCT-PC13#）暗电导变化很小。约在温度＝210K，不同Cd组分a-Hg1－CdTe薄膜样品的暗电导几乎相等（d≈8.0×10－8Ω－1cm－1）。

图2 a-Hg1－xCdxTe（x＝0,0.22,0.50,0.66,1）薄膜暗电导与温度的关系曲线

2.2 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗电导与Cd组分x的关系

根据图2中的实验数据，可以看出a-Hg1－CdTe薄膜暗电导与Cd组分的关系分为两个温度区域：＞210K和＜210K。在不同的温度区域，暗电导与组分的关系不同，如图3所示。

图3 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗电导与Cd组分x的关系

当温度＞210K时，a-Hg1－CdTe薄膜暗电导与组分的关系曲线，如图3(a)所示。可以看出，随着组分增加，非晶态Hg1－CdTe薄膜的暗电导降低。非晶态HgTe（＝0）样品的暗电导最大，在＝300K时约为d＝7.62×10－5Ω－1cm－1，而非晶态CdTe（＝1）样品的暗电导最低，约为d＝6.20×10－8Ω－1cm－1。这与晶态材料的变化趋势相似。而当温度＜210K时，则相反，其暗电导随着组分增加而增大，典型的a-Hg1－CdTe薄膜暗电导与组分的关系曲线，如图3(b)所示。

3 讨论

低组分（＜1）a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导具有热激活特性，可表示为：

d＝0exp(－Dad/) (1)

式中：0为指前因子；Dad为暗电导激活能；为玻尔兹曼常数；为绝对温度。根据图2中的曲线斜率，可以计算出a-Hg1－CdTe薄膜暗电导的激活能。图4给出了在＝300K时，a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导激活能与Cd组分的关系曲线。

图4 a-Hg1－xCdxTe（x＝0，0.22，0.50，0.66）薄膜暗电导激活能DEad与Cd组分x的关系曲线

非晶态半导体的费米能级近似位于迁移率隙的中央位置，在温度为＝300K时，a-Hg1－CdTe薄膜以扩展态电导为主，因此a-Hg1－CdTe薄膜的迁移率隙g近似为其暗电导激活能Dad的两倍（g≈2Dad）。据此可以计算出＝300K时a-Hg1－CdTe薄膜的迁移率隙。表1中列出了＝300K时，不同Cd组分a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导、指前因子、激活能和迁移率隙值。可以看出，a-Hg1－CdTe薄膜的迁移率隙g随着Cd组分增加而缓慢减小，这与晶态Hg1－CdTe带隙组分关系式不同。而且非晶态HgTe（＝0）薄膜的带隙为正值，这也与晶态HgTe材料的负带隙不同。

当＞210K时，a-Hg1－CdTe薄膜的导电机制以扩展态电导为主。a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导对组分的依赖关系与a-Se90Ge10－In[16]及a-Se0.80－Te0.20Ge[17]薄膜的暗电导对组分的依赖关系非常相似。a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导、激活能、指前因子等参数具有相同的变化趋势：随着组分增加，它们均降低。根据Mott和Davis[18]理论，暗电导指前因子0与局域态密度有关，局域态密度越低，0越大。对于a-Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66）薄膜样品，0和Dad都随着组分x增加而降低。这可能是随着Cd组分增加，材料的无序度增大，导致a-Hg1－CdTe薄膜具有更高的局域态密度，因此0和Dad均降低。

表1 a-Hg1－xCdxTe薄膜暗电导、指前因子、激活能和迁移率隙（T＝300K）

当温度＝210K时，a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导与Cd组分无关。

当＜210K时，a-Hg1－CdTe薄膜的导电机制以局域态电导为主。与＞210K时相反，此时随着Cd组分增加，a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导d增大。这是因为随着Cd组分增加，a-Hg1－CdTe薄膜的无序度增大。根据电子局域化理论[18]，可知非晶态半导体的无序度越高，其局域态密度越大，载流子跳跃的几率也越大，越有利于载流子的输运，局域态电导也越大。而在＜210K时，a-Hg1－CdTe薄膜的导电机制以局域态电导为主，因此随着Cd组分增加，暗电导增大。在其他非晶态半导体中也观察到类似的现象[19]。

随着组分增加，a-Hg1－CdTe薄膜局域态电导和扩展态电导的转变温度m升高，如表2所示。对于＝0（非晶态HgTe）的电导机制转变温度点约为m＝180K。＝1（非晶态CdTe）样品的暗电导在80K～300K温度范围内变化很小，说明在此温区其以局域态电导为主，也反映出其电导机制转变温度可能会更高（超过300K）。而＝0.22、＝0.50和＝0.66样品的转变温度m很接近，分别为240K、250K和260K。

4 结论

在80K～300K温度范围内，研究了a-Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66，1）薄膜暗电导与Cd组分的关系。研究表明：

表2 a-Hg1－xCdxTe薄膜扩展态电导与局域态电导的转变温度Tm

①在80K～300K温度范围内，a-Hg1－CdTe（＝0，0.22，0.50，0.66）薄膜的暗电导具有激活特性，且在＝300K时以扩展态电导为主，暗电导和热激活能都随着组分增加而降低，＝1样品（a-CdTe）的暗电导不具有热激活特性。

②在不同温度范围，Cd组分对暗电导的影响不同：在高温区（＞210K），随着增加，暗电导降低；在低温区（＜210K），则随着增加，暗电导增大。而当＝210K时，则a-Hg1－CdTe薄膜的暗电导几乎与组分无关（d≈8.0×10－8Ω－1cm－1）。

③a-Hg1－CdTe薄膜中存在的扩展态电导和局域态电导，Cd组分越大，两种导电机制的转变温度点也越高，＝0、0.22、0.50和0.66样品的转变温度分别约为c＝180K、240K、250K和260K，而＝1（a-CdTe）的转变温度高于300K。

通过改变Cd组分值，可以改善a-Hg1－CdTe薄膜的电学特性。

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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.

余连杰（1977-），男，安徽临泉人，博士，研究员级高工，主要研究方向为红外探测器。E-mail：lianjieyu@sina.com。

史衍丽（1969-），女，山东郓城人，博士，博导，研究员，主要从事探测器的设计和研制工作。E-mail：ylshikm@hotmail.com。