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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:卓姿吟
研究生(外文):Tze-Yin Cho
論文名稱:HgCdTe紅外光偵測器披覆層CdTe與CdTeOx之濺鍍研究
指導教授:吳泰伯
指導教授(外文):Tai-Bor Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:材料科學工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:HgCdTeCdTe紅外光偵測器濺鍍
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本實驗主要承襲之前的計畫研究,利用射頻磁控濺鍍系統成長用於HgCdTe紅外光偵檢器的CdTe披覆層、ZnS抗反射層與(Cd,Te)Ox絕緣體披覆層,研究上大致分為CdTe/ZnS 雙層異質薄膜之研究,與(Cd,Te)Ox薄膜及CdTe/(Cd,Te)Ox雙層薄膜之濺鍍研究兩部份。
第一部分研究中,我們以最佳的CdTe(100w, 4mTorr)與ZnS ( 125w, 8mTorr)薄膜濺鍍條件,製作成(Au/ZnS/CdTe/Hg0.8Cd0.2Te)MIS元件結構。於77K所量測之I-V特性,經fitting的結果,可判定ZnS/CdTe雙層披覆膜與Hg0.8Cd0.2Te基板間漏電流機制主要為空間電荷限制所主導。於77K、1MHz頻率下所量測的C-V特性,可發現由於Trap Charge缺陷所造成之遲滯現象,另外整個C-V曲線往左位移,表示含有正電荷缺陷存在於披覆層與Hg0.8Cd0.2Te基板間界面。
第二部份在(Cd,Te)Ox薄膜的研究方面,濺鍍的參數,主要固定濺鍍功率(100w)、工作壓力(4mTorr)與基板溫度(室溫)、而改變氣體流量比(通入氣體有Ar, O2, N2)。不同氣體比條件下所鍍製之CdTeOx薄膜經XRD分析,皆為非晶質,所有測試之(Cd,Te)Ox薄膜,以Ar/O2/N2﹦15/4/1條件下所鍍製之氧化物薄膜其漏電流最小,經XPS縱深分析,此組之(Cd,Te)Ox薄膜含氧(O)量較高、組成也較均勻。另外,(Cd,Te)Ox膜之漏電流機制經分析,滿足空間電荷限制電流之機制;高電場時,滿足普爾-夫倫克爾放射之機制。
進一步我們選擇ZnS/ CdTe、(Cd,Te)Ox /CdTe與(Cd,Te)Ox等三種披覆層製作成Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體(photodiode)來探討其披覆性質,於77K、不照光所量測之I-V特性,以(Cd,Te)Ox /CdTe披覆層之漏電流性質為最佳,顯示其作為Hg0.8Cd0.2Te光二極體的披覆層極具潛力。
目 錄
表目錄…………………………………………………...………..……IV
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅴ
第一章 緒論…………………………………………..…………………1
1-1 紅外光偵測器之發展…………………………………………….1
1-2 Hg1-xCdxTe之基本性質與應用……….………..………………..3
第二章 文獻回顧……………………………………………………......5
2-1 碲化汞鎘Hg1-xCdxTe光偵測器…………………………………..5
2-2 光二極體之原理…………………….……………………………..6
2-3 碲化汞鎘(Hg1-xCdxTe)光偵測器之披覆層…………...……...…...8
2-4 離子束銑蝕法(Ion Beam Milling)………………..…………..10
第三章 實驗程序……………………………………………………....12
3-1 薄膜製備………………………………………………………….12
3-1-1 基板之處理………………………………………………….12
3-1-2 磁控濺鍍系統……………………………………………….13
3-2 MIM 、MIS結構與紅外光二極體的製作………………………14
3-2-1 MIM結構…………………………………………………….14
3-2-2 MIS結構……………………………………………………..14
3-2-3 Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體...………………...………………..16
3-3 薄膜性質測試.……………………………………………………17
3-3-1 物性量測…………………………………………………….17
3-3-2 電性量測…………………………………………………….18
第四章 結果與討論……………………………………………………19
4-1 CdTe/ZnS雙層異質薄膜………………………………...………19
4-1-1 結晶性質……...…………………………………………..…19
4-1-2 MIS結構之電性-Cr/Au電極…………………………….…21
4-1-3 MIS結構之電性-Au 電極………………………………......22
4-2 CdTeOx膜的物理性質……………..………………………..…...27
4-2-1 結晶性質………..……………………………………...…….27
4-2-2 微觀結構……………………………………………………..28
4-2-3 成份分析XPS……………………………………………..…29
4-3 CdTeOx膜的電性 ………………….………………………..…...31
4-3-1 MIM結構之電流密度-電壓特性 …………...……………...31
4-3-2 MIS結構之電性 …………………………………………..34
4-4 Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體…………………………………..…...35
4-4-1 I-V特性………………………………………………………36
4-4-2 C-V特性……………………………………………………...36
第五章 結論……………………...…………………………………….38
參考文獻………………………………...……………………………...40
表目錄
表2-1 CdTe披覆層的電性與介電性質..………………………….….45
表3-1 濺鍍CdTe薄膜之鍍膜參數……………………………………46
表3-2 濺鍍ZnS薄膜之鍍膜參數……………………………………..46
表3-3濺鍍(Cd,Te)Ox薄膜之鍍膜參數…….....………………………47
表3-4 Pt上電極之鍍膜參數…………………………………………..47
表3-5 MIS結構製作流程表.……………….…………………………48
表3-6 曝光時間之測試……………...……….………………………..49
表3-7 CdTe薄膜RIE條件之測試……..…………..…………………49
表3-8 ZnS薄膜溼式蝕刻條件之測試(蝕刻液HCl/H2O=1/1).....…..49
表3-9 Photodiode結構製作流程表……...…………………………....50
表4-1離子束銑蝕(Ion Beam Milling)各條件結果…..……………....51
圖目錄
圖1-1不同能量黑體輻射之波長分佈與偵測器對波段的偵測靈敏度情形……………………………………………………………..52
圖1-2不同波段紅外光經過一哩長空氣的穿透率…………………....53
圖1-3 Hg1-xCdxTe之晶格常數及密度對成份(x值)的關係……..…...53
圖2-1 (a)光導型元件示意圖(b)元件截面構造圖…………………….54
圖2-2光壓型元件能帶示意圖………………………………………...55
圖2-3 Hg1-xCdxTe光壓型偵測器(p-n光二極體)簡圖………………...56
圖2-4 光壓型紅外光偵測元件的電壓-電流特性…………….……...56
圖3-1 實驗流程圖……………………………..………………………57
圖3-2 射頻磁控濺鍍系統簡圖………………………..………………58
圖3-3 MIS結構製程示意圖…………...………………………………60
圖3-4 MIS結構製成之光罩圖和其相對應之實作情形………...……62
圖3-5 曝光時間之測試……………………………………………..…63
圖3-6 經切割機切好成一個單元的MIS結構試片…………………..63
圖3-7 Hg0.8Cd0.2Te陣列式紅外光二極體製程示意圖………………..65
圖3-8 Hg0.8Cd0.2Te陣列式紅外光二極體製程之光罩圖與完成圖…..66圖4-1 CdTe濺鍍薄膜於Si基板與MCT基板之XRD圖….…….…..67
圖4-2 CdTe粉末之立方晶與六方晶結構X光繞射圖………………68
圖4-3 ZnS濺鍍薄膜於Si基板與MCT基板之XRD圖……………...69
圖4-4 ZnS粉末之立方晶與六方晶結構X光繞射圖…………………70
圖4-5針對CdTe(111)之繞射峰所作之Rocking Curve (CdTe/Si單層膜)………………………………………………………….……71
圖4-6 針對CdTe(111)之繞射峰所作之Rocking Curve ( ZnS/CdTe/Si單層膜)…………………………………………….……………71
圖4-7 針對ZnS(111)之繞射峰所作之Rocking Curve (ZnS/Si單層膜)………………………………………………………………72
圖4-8 針對ZnS(111)之繞射峰所作之Rocking Curve (ZnS/CdTe/Si雙層膜)…………………………………………….……………72
圖4-9 Au/Cr/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te(P-MIS)結構之I-V量測圖(77K)………………………………………………………73
圖4-10 Au/Cr/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te(P-MOS)結構之I-V量測圖(室溫)…………………………………………………..73
圖4-11 Au/Cr/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te(P-MIS)結構各頻率所量測之C-V特性圖(77K)………….………………………74
圖4-12 Au/Cr/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te(P-MOS)結構於1MHz
頻率下所量測之C-V特性圖(77K)…….…………………...74
圖4-13 Au/Cr/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te結構之p-p(ground)下電極接點量測I-V圖(室溫)……………..………………..75
圖4-14 Au/Cr/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te結構之p-p(ground)下電極接點量測I-V圖(77K)……………..………………..75
圖4-15 Au/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te(P-MIS)結構之I-V量測圖(77K,不照光)…………………..……………………..76
圖4-16 Au/ZnS/CdTe/p型-Hg0.8Cd0.2Te(P-MOS)結構之C-V量測圖(77K、1MHz)………………….…………………….76
圖4-17 Au/ZnS/CdTe/n型-Hg0.8Cd0.2Te(N-MIS)結構之I-V量測圖(77K,不照光)………………………………………………..77
圖4-18 Au/ZnS/CdTe/n型-Hg0.8Cd0.2Te(N-MIS)結構ln(I)-ln(V)
作圖………………………...………………………………….77
圖4-19 Au/ZnS/CdTe/n型-Hg0.8Cd0.2Te(N-MIS)結構各頻率所量測之C-V特性圖(77K)………………………………………78
圖4-20 Au/ZnS/CdTe/n型-Hg0.8Cd0.2Te(N-MIS)結構之C-V量測圖(77K、1MHz)……………………….……………………78
圖4-21 不同條件濺鍍之CdTeOx/CdTe雙層異質薄膜XRD圖……79
圖4-22不同條件濺鍍之CdTeOx/Pt/Ti/SiO2/Si XRD圖………….…79
圖4-23 CdTeO3粉末X光繞射圖示………….….…………..………..80
圖4-24 (Cd,Te)Ox/Si薄膜之SEM斷面圖(1) Ar:O2:N2 = 25:1:4 (2) Ar:O2:N2=17:2:1 (3)Ar:O2:N2=15:4:1 (4)Ar:O2:N2=15:1:4..81
圖4-25 (Cd,Te)Ox/Si薄膜SEM斷面經傾斜一小角度之影像圖(1) Ar:O2:N2=25:1:4 (2) Ar:O2:N2=17:2:1 (3) Ar:O2:N2=15:4:1
(4) Ar:O2:N2=15:1:4……………………...………………….82
圖4-26 (Cd,Te)Ox /CdTe /Si之SEM斷面經傾斜一小角度之影像圖(1)Ar:O2:N2=25:1:4 (2)Ar:O2:N2=17:2:1 (3) Ar:O2:N2=15:4:1 (4) Ar:O2:N2=15:1:4…………………..………………………..83
圖4-27 (Cd,Te)Ox /Si 單層膜結構AFM圖 (a) Ar:O2:N2=15:1:4 (b) Ar:O2:N2=15:4:1(c) Ar:O2:N2=17:2:1(d) Ar:O2:N2=25:1:4...84
圖4-28 (Cd,Te)Ox /CdTe/Si 雙層膜結構AFM圖(a)Ar:O2:N2=15:1:4
(b)Ar:O2:N2=15:4:1(c)Ar:O2:N2=17:2:1(d)Ar:O2:N2=25:1:4...85
圖4-29 CdTe/(Cd, Te)Ox雙層膜(Ar:O2:N2= 15:1:4)成分縱深分析…86
圖4-30 CdTe/(Cd, Te)Ox雙層膜(Ar:O2:N2= 25:1:4)成分縱深分析…87
圖4-31 CdTe/(Cd, Te)Ox雙層膜(Ar:O2:N2= 17:2:1)成分縱深分析…88
圖4-32 CdTe/(Cd, Te)Ox雙層膜(Ar:O2:N2= 15:4:1)成分縱深分析…89
圖4-33 (Cd,Te)Ox單層膜(Ar:O2:N2= 15:1:4)成分縱深分析………...90
圖4-34 (Cd,Te)Ox單層膜(Ar:O2:N2= 25:1:4)成分縱深分析………...91
圖4-35 (Cd,Te)Ox單層膜(Ar:O2:N2= 17:2:1)成分縱深分析…….......92
圖4-36 (Cd,Te)Ox單層膜(Ar:O2:N2= 15:4:1)成分縱深分析………...93
圖4-37 (Cd,Te)Ox /Si 單層膜結構之J-E圖……..…...……………….94
圖4-38 (Cd,Te)Ox (Ar:O2:N2= 15:4:1 )/Si之ln(J/E)-E1/2作圖………94
圖4-39 (Cd,Te)Ox (Ar:O2:N2= 15:4:1 )/Si之ln(J/d)對ln(E/d)作圖…95
圖4-40 CdTe/(Cd,Te)Ox /Si 雙層膜結構之J-E圖……………………95
圖4-41 CdTe/(Cd,Te)Ox /Si 與(Cd,Te)Ox /Si結構之J-E比較圖……96
圖4-42 Au/(Cd,Te)Ox/CdTe/Hg0.8Cd0.2Te (MIS)結構SEM斷面圖.....96
圖4-43 Au/ ZnS/CdTe/ Hg0.8Cd0.2Te (MIS)結構之SEM斷面圖…….97
圖4-44 Au/ZnS/CdTe/Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體I-V特性於77K….97
圖4-45 Au/ (Cd,Te)Ox/ CdTe/ Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體I-V特性於77K…...………………………………………………………....98
圖4-46 Au/(Cd,Te)Ox/Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體I-V特性於77K…98
圖4-47 Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體不同披覆層之I-V特性於77K…99
圖4-48不同披覆層之 Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體於77K量測之相對電容(C/C0)-電壓(V)特性……………...……………………….99
圖4-49不同披覆層之 Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體於77K量測之C-V特性77K……………………………………………………….100
圖4-50 (Cd,Te)Ox披覆層之 Hg0.8Cd0.2Te紅外光二極體於77K量測之C-V特性77K………………………………………………….100
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