電極對CdZnTe 光電探測器性能的影響

師好智, 王林軍

(1. 上海天交機電科技有限公司, 上海 200443; 2. 上海大學材料科學與工程學院, 上海 200444)

高性能紫外探測器已廣泛應用于日常生活中的紫外監測、火焰探測、指紋檢測、紫外通信以及導彈預警等民用和軍事領域[1-6]. CdZnTe 作為一種新型的三元化合物寬禁帶半導體材料, 具有較寬且可調的禁帶寬度、高原子序數、高載流子遷移率、高電阻率、高化學穩定性以及對光子極具靈敏性等優點, 使其成為制備高靈敏度和高穩定性紫外探測器的理想材料[7-10].近十幾年來, 國內外關于CdZnTe 探測器的研究取得了較大的進展, 為未來CdZnTe 的應用作出了重要貢獻. 目前, CdZnTe 探測器主要應用于粒子探測、核探測以及光探測等領域. 相關研究面臨的挑戰包括兩方面, 一方面是CdZnTe 表面與電極之間的界面接觸問題, 一方面是界面散熱問題. 因此, 制備出接觸性能良好的CdZnTe 探測器對性能的提升有著重大意義. 制備CdZnTe 的方法有很多種, 包括金屬有機化學氣相沉積[11]、分子束外延[12]、熱蒸發[13]、磁控濺射[14]和近空間升華[9]等. 與其他制備方法相比, 磁控濺射法是一種非常常見的物理氣相沉積法, 除了具有一般濺射的薄膜均勻性好、致密性高、附著力強、應用靶材廣等優點外, 還具有沉積速率高、基片溫升低、對膜層損傷小、可實現大面積鍍膜等優點.

電極與CdZnTe 材料之間較差的電極接觸會導致器件產生較大的漏電流, 致使暗電流增大. 性能優異的紫外光電探測器則需具備較小的暗電流. 因此, 電極與CdZnTe 材料之間的接觸特性是影響探測器響應性能的關鍵因素. 目前, 已有研究者探索使用Al、Au、Pt、In、Zn 等金屬制備CdZnTe 基器件電極[15-16]. 然而, 由于CdZnTe 的功函數較大, 且與金屬電極薄膜有較大的熱膨脹系數差, 因此在其表面很難與常用的金屬電極材料形成良好的接觸. 也有研究者使用Au/Zn 復合金屬電極提升與CdZnTe 材料的接觸特性, Zn 中間層電極的加入也增強了與Au 電極的黏附性[15]. Ga 摻雜ZnO(GaZnO(GZO)) 透明導電薄膜的導電性好、化學和熱穩定性高, 可應用在電極材料中. 此外, GZO 與CdZnTe 有較接近的熱膨脹系數, 使其成為與CdZnTe 形成良好接觸的理想電極材料[17-18].

本工作采用磁控濺射法制備了高質量的CdZnTe 薄膜, 在其表面沉積Au 電極以及Au/GZO 復合電極制備CdZnTe 紫外光電探測器. 并且, 詳細探究了電極對CdZnTe 紫外光電探測器性能的影響.

1 實驗過程

本工作通過磁控濺射方法制備CdZnTe 薄膜, 依次在丙酮、無水乙醇、甲醇和去離子水中超聲清洗尺寸為19.5 mm×19.5 mm×0.7 mm 的硼硅玻璃襯底各10 min, 并用氮氣吹干. 腔體真空6.0×10-4Pa, 濺射功率125 W, 濺射壓強0.8 Pa, 襯底溫度200°C. 然后, 在CdZnTe 薄膜上沉積30 nm 的Au 電極, 制備如圖1(a) 所示的Au/CdZnTe/Au 探測器. 如圖1(b) 所示的Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器則先用磁控濺射法沉積約40 nm 的GZO電極(GZO 靶材中Ga2O3與ZnO 的質量比是3∶97), 然后沉積30 nm 的Au 電極. 電極選用載流子收集率較高的叉指電極, 大小為2 cm×2 cm, 叉指寬度0.5 mm, 間隔1 mm. 薄膜的結晶性能用X 射線衍射儀(X-ray diffraction, XRD, D/MAX-2 200 V PC 3 kW, CuKα1,λ=0.154 06 nm) 測試, 薄膜的表面形貌用原子力顯微鏡(atomic force microscope, AFM) 測試. 紫外(ultraviolet, UV) 探測器的光電響應性能用半導體參數分析儀(Keithley 4200/SCS)測試.

圖1 不同電極的CdZnTe 紫外探測器結構Fig.1 Structure of CdZnTe UV detectors with different electrodes

2 結果與討論

圖2(a) 是襯底溫度為200°C 制備的CdZnTe 薄膜X 射線衍射圖譜, 可以看出在2θ= 23.95°時出現較強且半高寬較窄的衍射峰, 對應(111) 晶面取向(JCPDS No.53-0555).CdZnTe 薄膜表面形貌如圖2(b) 所示, 可以看出薄膜均具有納米晶粒特征, 且表面較為光滑,均方根粗糙度較小, 約為1.51 nm, 較為平整光滑的表面有利于與電極形成良好的接觸. 圖3(a) 為不同電極CdZnTe 探測器在黑暗環境中的伏安(I-V) 測試曲線, 可以看出, CdZnTe 薄膜與Au 電極及GZO/Au 電極均有良好的歐姆接觸. 與Au/CdZnTe/Au 電極探測器相比,Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器具有更小的暗電流. 圖3(b) 為不同電極CdZnTe 探測器分別在245、365、400 nm,光強為0.183 mW/cm2的紫外光照射下的對數I-V曲線.由圖可知,Au/CdZnTe/Au 探測器的光電流隨著紫外光波長的增大, 先減小后增大, 數量級均為10-7A.復合電極Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器的光電流隨著紫外光波長的增大, 先增大后減小,數量級均為10-8A.圖4(a)和(b)分別為Au/CdZnTe/Au 和Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au探測器在245、365、400 nm 紫外光照射下的瞬態時間響應. 從圖中可以看出, 隨著不同波長紫外光照的開啟或關閉, 兩種探測器器件的電流均快速增大和減小. 當光源打開時, 電流迅速上升至一穩定值, 當光源關閉時, 電流迅速下降, 這說明CdZnTe 探測器對紫外光具有良好的瞬態響應特性. 圖4(c) 和(d) 為不同電極CdZnTe 探測器響應時間隨照射波長變化的放大曲線,響應上升時間(光電流的10%～90%) 可以由圖計算得出. Au/CdZnTe/Au 探測器在波長為245、365、400 nm 紫外光照射下的響應時間是逐漸增加的, 依次為0.133 4、0.136 1、0.237 4 s,對245 nm 波長的紫外光響應時間最短. Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器的響應時間隨波長的增大也逐漸增加, 依次為0.124 6、0.131 4、0.131 4 s, 對245 nm 波長的紫外光響應時間也最短. 此外, 施加相同波長的紫外光, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器對紫外光的響應時間均小于單電極Au/CdZnTe/Au 探測器.

圖2 薄膜微觀組織結構表征Fig.2 Microstructure characterization of thin film

圖3 不同電極CdZnTe 探測器I-V 測試圖Fig.3 I-V test diagram of CdZnTe detectors with different electrodes

圖4 不同電極CdZnTe 探測器I-t 測試圖Fig.4 I-t test diagram of CdZnTe detectors with different electrodes

圖5 為不同電極CdZnTe 探測器在波長為245、365、400 nm, 光強為0.183 mW/cm2的紫外光照射下靈敏度變化趨勢, 靈敏度為

圖5 不同電極CdZnTe 探測器靈敏度對比Fig.5 Comparison of sensitivity of CdZnTe detectors with different electrodes

式中:Ip為光電流;Id為暗電流. 光電流及暗電流均來自圖3. 由圖5 可知, Au/CdZnTe/Au探測器的靈敏度隨紫外光照射波長增大而逐漸增大, 靈敏度依次為3.15、3.38、4.27, 波長為400 nm 時最大. Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器的靈敏度隨紫外光照射波長的增大, 先增大后減小, 依次為4.07、8.60、5.83, 波長為365 nm 時最大. 在相同波長下,Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器的靈敏度均高于Au/CdZnTe/Au 探測器.

響應度(responsivity,R), 是指在單位入射光功率下, 探測器產生的光電流的大小. 響應度是反映光電探測器好壞的一個重要參量, 代表器件將光能轉換為電能的能力大小. 探測率(detectivity,D*), 表示器件探測微弱信號的能力, 用于比較不同面積器件的光電探測敏感性.響應度和探測率分別為

式中:Ip為光照下的電流;Id為暗電流;P為入射光功率;R為響應度;S為有效光接觸面積;e為電子電荷量. 根據式(2) 和(3), 可計算出不同電極CdZnTe 探測器在不同光照波長下的響應度和探測率(見圖6(a) 和(b)). 從圖中可以看出, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器對245、365、400 nm 光照下的響應度和靈敏度均大于Au/CdZnTe/Au 探測器, 表明Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器比Au/CdZnTe/Au 探測器擁有更優異的響應性能. 在400 nm 的光源照射下, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器的響應度為0.061 mA/W, 探測率達3.95×109cm·Hz1/2·W-1. 這表明GZO/Au 復合電極可以與CdZnTe 形成更好的接觸, 中間層電極的加入降低了Au 和CdZnTe 之間的功函數差[15,19].

圖6 不同電極CdZnTe 探測器響應度和探測率對比Fig.6 Comparison of responsivity and detectivity of CdZnTe detectors with different electrodes

3 結束語

本工作采用磁控濺射法制備了結晶質量好且表面粗糙度低的CdZnTe 薄膜, 并基于此高質量薄膜制備了Au/CdZnTe/Au 探測器和Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器. 實驗結果表明, 兩種探測器均對紫外光具有良好的響應性能, 且探測器穩定性較好, 響應速度快. 相較于Au/CdZnTe/Au 探測器而言, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探測器具有更快的響應速度、更高的響應度和探測率、更高的探測靈敏度(8.60@365 nm), 表明GZO 電極與CdZnTe 薄膜有更好的接觸特性.