실온 방사선 검출기를 위한 CdMnTe 결정의 성장 및 특성. 본 연구에서는 수직 브리지만법으로 성장시킨 II-VI족 화합물 반도체인 CdTe로 Mn을 대체한 Cd1-xMnxTe 단결정의 구조적, 광학적, 전기적 특성을 조사하였다. 상온에서 높은 에너지를 검출할 수 있는 Cd1-xMnxTe 반도체는 높은 비저항, 넓은 밴드갭 에너지, 우수한 전자 수송 특성을 가지고 있어 방사선 검출기로 유망한 소재이다.
서론
즉, CdTe 구조에서 Mn은 매우 좋은 편석 계수를 갖는다. CdMnTe를 검출기로 사용하기 위해서는 금속-반도체 쇼트키 접합이 필요하며 그 특성이 매우 중요하다. 기본적으로 쇼트키 접합을 이루기 위해서는 금속의 일함수가 반도체의 일함수보다 커야 한다고 알려져 있다.
그러나 금속은 일함수의 값이 충분히 높지 않습니다. 따라서 접촉을 이루기 위해서는 금속과 반도체의 일함수 차이로 인한 장벽을 줄이는 방법, 즉 첨가제의 양과 온도를 조절하는 방법이 필요하다. 쇼트키 접합의 공간 전이 영역은 더 얇아지고 대부분의 캐리어는 더 길어져 공간 전이 영역을 통과할 때 접촉을 형성할 수 있습니다.
본 연구에서는 3단 전기로에서 성장한 CdMnTe 화합물 반도체의 기본 결정성을 평가하기 위한 측정을 수행하고, 검출기로 사용하기 위해 스퍼터 증착된 다른 금속에 대해 쇼트키 접합을 형성하여 I-V 특성을 분석합니다.
이론
화합물 반도체의 밴드갭 에너지와 격자 상수의 관계. 쇼트키 다이오드는 금속과 n형 반도체의 계면에서 발생하는 쇼트키 장벽의 정류 효과를 이용한 다이오드이다. 여기서 쇼트키 장벽은 금속과 n형 반도체가 접촉할 때 서로의 페르미 준위를 맞추는 것이다. 이때 n형 반도체의 주 캐리어인 금속에는 이미 많은 전자가 존재하므로 금속과 n형 반도체의 접합부에 포텐셜 에너지 장벽이 형성된다.
그림 4와 같이 바이어스를 가하면 전계의 영향으로 금속 전자가 이동하여 쇼트키 장벽이 변화한다. 이 쇼트키 장벽의 영향으로 쇼트키 다이오드는 정류 특성을 갖게 됩니다. 쇼트키 장벽 ΦB는 다음 식으로 표현됩니다.
여기서 포화전류는 이상계수이고 n형 반도체의 일함수가 금속과 n형 반도체 사이에서 크면 쇼트키 접합을 얻을 수 있다. (a) 순방향 바이어스 (b) 쇼트키 다이오드의 역방향 바이어스 특성.
실험 방법
광발광(PL) 분석을 사용하여 결정의 광학적 특성과 온도에 따른 변화를 조사했습니다. 마지막으로 성장한 결정을 Schottky 연결하여 I-V를 측정하고 이를 통해 검출기로서의 가능성을 검토하였다. X선 에너지 분산 분광법(EDS)은 단결정 실리콘 핀 반도체 소자를 이용해 에너지 형태의 시료에서 발생하는 특성 X선을 검출하는 방법이다.
회절 현상은 원자의 배열과 밀접한 관련이 있기 때문에 물질의 결정 구조에 따라 X선 회절 패턴이 결정된다. Photoluminescence 측정은 시료의 가장 기본적인 특성을 분석할 수 있는 측정 방법입니다. 이 에너지가 빛의 형태를 띌 때 이를 발광이라고 하며 이를 측정함으로써 시료의 특성을 알 수 있다.
결정 성장 과정에서 다양한 요인으로 인해 다결정이 쉽게 만들어지며, 그 중 전기로의 온도 안정성이 가장 중요하다. 따라서 결정을 성장시킬 때 안전을 최우선으로 고려하여 Fig. 5단 3단 전기로를 제작하여 성장에 사용하였다.
도 7은 종래의 2단 전기로에서 성장한 결정과 3단 전기로에서 성장한 결정의 벽개면을 비교한 주사전자현미경 이미지이다. 검은 부분은 결정 성장 중에 쉽게 나타나는 Te 함유 결함입니다. 기존 2단 전기로에 비해 3단 전기로에서 성장한 결정의 Te 함유 결함이 크게 감소한 것을 알 수 있다.
울퉁불퉁한 결정을 성장시킬 때, 성장 후의 결정 머리의 모양에서 성공적인 성장 정도를 알 수 있습니다. 플랫의 경우 성장관 중심의 온도와 내벽의 온도가 같으며 결정의 균질도가 가장 좋다. 도 9는 성장된 결정의 상부, 중간 및 하부 단면의 AFM(Atomic Force . Microscope) 사진으로, 결정의 위치에 따라 벽개면의 균질도에 차이가 있음을 알 수 있다.
성장된 CdMnTe 단결정 절단면의 AFM 이미지. Bragg 식[23]을 사용하여 측정된 피크 각도로부터 단결정의 격자 상수를 구하였다. Mn 조성비가 다른 CdMnTe 결정에 대한 X-선 회절 실험에서 (220) 평면에 대한 단일 피크가 확인되었고 아연-블렌드 구조를 가짐을 확인했습니다.
또한, Mn 조성비가 높을수록 반치폭이 커지고 결정성이 저하됨을 알 수 있다.
결과 및 논의
