CN100559194C - 一种检测碲镉汞薄膜光伏器件有害界面电荷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种检测碲镉汞薄膜光伏器件有害界面电荷的方法，该方法是利用一束光子能量大于被测器件带隙的超快脉冲激光背照射HgCdTe器件，利用数字示波器测量光伏器件两电极间的瞬态光伏信号与时间的演化关系，根据外电路测量到的界面电荷诱导电场和pn结电场形成的光生电动势在时间维度上被分离，通过对界面电荷诱导电场形成的光生电动势和有冶金pn结内建电场形成的光生电动势的指认，可以较方便地获取对器件光电响应有很大影响的界面电荷的信息。这是一种方便、快速、无损伤的鉴别方法，对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及指导人们探索新型器件都有着十分重要的意义。

Description

一种检测碲镉汞薄膜光伏器件有害界面电荷的方法
技术领域
本发明涉及碲镉汞(HgCdTe)薄膜光伏器件的性能测量，具体是指一种HgCdTe薄膜光伏器件的HgCdTe/CdTe界面有害电荷的测量方法。
背景技术
Hg1-xCdxTe是制备中波(3-5μm)和长波(8-14μm)红外焦平面器件重要的材料，广泛应用于军事、航空航天等领域。尽管碲镉汞材料的制备工艺日趋成熟，但是在以GaAs为衬底的CdTe缓冲层上生长碲镉汞仍然不可避免的出现相当数量的固定界面电荷，其密度与工艺密切相关。电荷密度难以控制，且可正可负，在通常情况下不能精确地知道其密度值。由于HgCdTe是窄禁带半导体材料，固定电荷将影响HgCdTe/CdTe界面处的能带结构。对于不同的固定电荷的极性和密度，在HgCdTe/CdTe的界面处能够分别形成积累、耗尽甚至反型层，从而影响器件的响应率和性能。例如，对于常见的n-on-p型光伏探测器，如果HgCdTe/CdTe界面电荷为正时，能带向下弯，界面的p型区开始耗尽；当界面电荷密度到达2×1010cm-2后，将在界面形成反型n区，即在界面处形成界面电荷诱导结。当光从衬底背入射，在界面处产生光生载流子，有部分的光生载流子将被诱导结电场分开，产生的光生电动势与pn结光生电动势相反，界面电荷密度进一步增加将导致诱导结的耗尽层宽度增加，在这一厚度内产生的光生载流子被诱导结分开，因此器件响应率将急剧减小，此时的正界面电荷就是一种有害界面电荷，它直接降低了探测器的响应率。而当界面电荷为负时，碲镉汞能带向上弯，将在HgCdTe/CdTe界面形成积累层，对器件响应率影响不大，为此对于这类界面电荷是否存在，器件研制并不关注。提高HgCdTe器件的性能一直是器件工作者所不停追求的目标，因此，研究碲镉汞的界面，发展有关碲镉汞界面的理论，对于改善器件性能，提高器件稳定性，以及指导人们探索新型器件都有着十分重要的意义。
目前，检测界面电荷是采用传统的电学C-V法，其原理是通过实验测得的C-V特性曲线和理论C-V特性曲线的偏移量来判断界面固定电荷的密度强弱。这种方法给出的是界面电荷的综合信息，而不能独立地分离性地给出对器件光电响应有影响的界面电荷信息，而对于光伏探测器，人们最关心的正是会影响器件光电响应的有效界面电荷，即有害界面电荷，而对于非有害界面电荷则可以暂且不管，因为对于器件光电响应无影响的非有害界面电荷对于优化器件性能并不重要。由于传统的电学C-V方法无法提取同器件光电响应相关的界面电荷信息，极大地限制了C-V法在实际测量中的作用，因此，人们期望一种更有效的获取界面电荷信息的方法。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种获取有害界面电荷信息的方法。该方法是基于时间分辨瞬态光伏信号的方法来检测HgCdTe薄膜器件有害界面电荷的极性并判断其强弱状态。这种方法可以直接提取出电学C-V方法无法获取的直接影响器件光电响应性能的有害界面电荷。
本发明的方法是利用一束光子能量大于带隙的超快脉冲激光背照射HgCdTe器件，利用界面电荷诱导电场与pn结电场形成的光生电动势在时间维度上将依次出现的原理而提出，可直观地观测界面电荷诱导电场产生的光生电动势，并据此判断界面电荷的极性和强弱。其步骤如下：
§1调节入射激光，使其经过光栏后照射在杜瓦内的HgCdTe器件的背面，用同轴电缆连接杜瓦上的器件信号输出端和数字存储示波器的输入端。
入射激光采用超快脉冲激光，超快脉冲激光的脉冲宽度应远小于被测器件光生载流子扩散进入pn结空间电荷区的时间，为小于100ns；光子能量要大于被测器件的带隙；重复频率应满足使被测器件从激发态回到基态，为小于1k Hz。
§2打开数字存储示波器，脉冲激光没有照射样品时，两端的电压为0mV，器件处于平衡态。
§3打开激光器，立刻在示波器上显示光伏器件两电极间的瞬态光伏信号时间演化关系，根据外电路测量到的界面电荷诱导电场和pn结电场形成光生电动势在时间维度上被分离，界面电荷诱导形成的光生电动势比pn结内建电场形成光生电动势先出现，因此先出现的光生电动势为界面电荷诱导形成的；当界面电荷诱导光生电动势与冶金pn界内建电势方向相反，据此可以判断出界面电荷的极性为正电荷，即为有害界面电荷，以及根据界面电荷诱导电场形成的光生电动势的大小可以判据界面电荷的强弱。
本发明基于的原理是：从HgCdTe/CdTe界面不存在界面电荷的理想情况出发，当超快脉冲激光照射器件后，入射光主要在距离界面很近的地方被吸收，光强呈指数形式衰减，相应的光生电子-空穴对的浓度随光照方向呈指数衰减形成指向体内的浓度梯度，光生非平衡载流子向体内扩散。在HgCdTe材料中，一般认为电子的迁移率远远大于空穴的迁移率，由于载流子迁移率不同导致的Dember电动势和pn结内建电场形成的光生电动势的方向相同，均为p区指向n区。此时，对于n-on-p型光伏探测器将形成如图3所示的瞬态光伏信号。
当HgCdTe/CdTe界面存在电荷时，HgCdTe界面处的能带弯曲形成界面电荷诱导电场，方向与pn结内建电场方向相反或相同。光生载流子主要在距界面很近深度范围内产生，界面电荷诱导的耗尽层中光生电子空穴对首先被界面电场分离，形成光生电动势。随后光生载流子向体内扩散，在pn结内建电场的作用下光生电子运动到n区而光生空穴积累在p区，形成光生电动势。由于初始光生载流子的浓度分布和载流子的扩散作用，外电路测量到的界面电荷诱导电场和pn结形成光生电动势在时间维度上被分离，界面电荷诱导结电场形成的光生电动势比pn结内建电场形成光生电动势先出现。依赖于界面电荷极性，界面电荷诱导电场与pn结内建电场形成的光生电动势方向相同或相反，相应地，外电路测量到的光生电动势为单一极性的光伏信号或正负峰共存的光伏信号。利用示波器记录光伏器件两电极间的瞬态光伏信号时间演化关系，并对界面电荷诱导电场和pn结内建电场所形成的光生电动势的指认，可以判断界面电荷的极性。同时，界面电荷诱导电场形成的光生电动势大小同电荷密度相关，依据瞬态光伏信号中界面电荷诱导电场形成的光生电动势的大小可以判据界面电荷的强弱。
本测量方法的优点是：可以方便、快速、无损伤判断对器件性能是否有影响的界面电荷及界面电荷的强弱。
附图说明
图1为本实施例所测量的器件结构。
图2为CdTe/HgCdTe界面不存在界面电荷的理想情况下超快脉冲激光照射器件后的瞬态光伏信号。
图3为本实施例界面电荷为正时的瞬态光伏信号。
图4为利用SENTAURUS软件模拟弱的连续光照射下HgCdTe/CdTe的界面处无界面电荷与界面正电荷密度为1x1012cm-2时光谱曲线的对比。
具体实施方式
下面以Hg0.702Cd0.298Te薄膜光伏器件为实施例结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：
所测样品为分子束外延生长的平面结HgCdTe线列光伏探测器，见图1。p型Hg0.702Cd0.298Te生长在以GaAs为衬底的CdTe缓冲层上。在p型表面注入硼离子，形成n+型突变n+-p结。样品被倒焊在蓝宝石基板上。
可调谐脉冲激光采用立陶宛EKSPLA公司生产的PL2143BSS Nd:YAG激光器泵浦PG401/DFG光学参量产生器/差频放大器，激光脉冲宽度为30ps，重复频率10Hz，调节其输出波长至4.5μm。经计算，4.5μm入射波长下Hg0.702Cd0.298Te的吸收系数为α4.5μm＝4870cm-1，Hg0.702Cd0.298Te材料的厚度d约为10μm，d·α4.5μm＞1，所以入射激光主要在距CdTe/HgCdTe界面2μm的地方被吸收，光生电子-空穴对浓度将形成随光照方向呈指数衰减并指向体内的浓度梯度。超快脉冲激光脉冲的宽度为30ps，远远小于光生载流子扩散进入pn结空间电荷区的时间。
测量到的光电信号通过杜瓦上同轴电缆输入Agilent Infiniium 54832B数字存储示波器。
图3为此实施例测量得的瞬态光伏信号，可将其分为4个阶段：脉冲激光没有照射样品时，两端的电压为0mV，器件处于平衡态。在t＝t1阶段，30ps脉冲激光照射在器件上，形成了载流子的浓度梯度分布；在t＝t2阶段，脉冲激光照射结束后瞬态光伏信号出现了一个显著的迅速下降的光伏信号，并在5ns时间内达到瞬态光伏信号反向电压的最大值-51mV，根据前面的分析，此光伏信号为界面电荷诱导电场分离光生载流子形成；在t＝t3阶段，瞬态光伏信号从反向电压的最大值缓慢增加达到正向电压的极大值15mV，在40ns时间内完成了电极性反转，此过程为pn结电场分离光生载流子以及界面电荷诱导电场分离的光生载流子开始复合形成；在t＝t4阶段，光伏信号从极大值15mV以时间常数τ＝RC的指数形式逐渐衰减最终达到稳态，此过程为器件中的光生载流子复合形成。由于外电路测量到的界面电荷诱导电场和pn结电场形成光生电动势在时间维度上被分离，界面电荷诱导形成的光生电动势比pn结内建电场形成光生电动势先出现，所以可以指认出负的光生电动势为界面电荷诱导电场产生，而正的光生电动势为pn结内建电场产生。这说明界面电荷诱导电场与冶金pn界内建电场方向相反，据此可以判断出界面电荷的极性为正电荷，即为有害界面电荷。并且可以预期界面电荷密度越强其形成的反向光生电动势幅度越大。
为进一步证明我们方法的可行性，我们假设CdTe/HgCdTe的界面处界面正电荷密度为1x1012cm-2和无界面正电荷，利用SENTAURUS软件模拟稳态光照下器件的响应率谱，见图4，从中可以看出，正界面电荷的存在使光伏信号的响应率大幅减小，可知CdTe/HgCdTe界面正电荷对响应率存在较大影响。

Claims (1)

1.一种检测碲镉汞薄膜光伏器件有害界面电荷的方法，其特征在于步骤如下：
§A调节入射激光，使其经光阑聚焦于置于杜瓦内的被测器件的背面，将同轴电缆连接于杜瓦上的被测器件信号输出处和数字存储示波器的输入端；
入射激光采用超快脉冲激光，超快脉冲激光的脉冲宽度应远小于被测器件光生载流子扩散进入pn结空间电荷区的时间，为小于100ns；光子能量要大于被测器件的带隙；重复频率应满足使被测器件从激发态回到基态，小于1k Hz；
§B打开数字存储示波器，脉冲激光没有照射被测器件时，被测器件两电极间的电压为0mV，被测器件处于平衡态；
§C打开发射入射激光的激光器，在所述的示波器上将显示被测器件两电极间的瞬态光伏信号随时间的演化关系，基于测量到的界面电荷诱导电场和pn结内建电场形成的光生电动势在时间维度上被分离，界面电荷诱导电场形成的光生电动势比pn结内建电场形成的光生电动势先出现，因此先出现的光生电动势为界面电荷诱导电场形成的；当界面电荷诱导电场形成的光生电动势与pn结内建电场形成的光生电动势方向相反时，可以判断出界面电荷的极性为正电荷，即为有害界面电荷，以及根据界面电荷诱导电场形成的光生电动势的大小可以判据界面电荷的强弱。
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