射频磁控溅射制备的CdSe薄膜的光电学性质

管雪， 金健， 顾广瑞

( 延边大学 理学院, 吉林 延吉 133002 )

硒化镉(CdSe)是一种II - VI族半导体化合物.由于CdSe薄膜具有约1.74 eV的直接带隙以及良好的导电性和高吸收率，因此它在光电器件中具有良好的潜在应用价值[1-3].近年来，学者们对CdSe薄膜的性质进行了较多的研究.例如：Bao等通过PLD方法制备了CdSe薄膜，研究发现在150 ℃下沉积的CdSe薄膜具有较高的转换效率[4]； Garibay等通过化学浴沉积技术制备了CdSe薄膜，并研究了不同前驱体浓度对薄膜光学性质的影响[5]； Alagarasan等通过热蒸发法在玻璃衬底上制备了CdSe薄膜，并研究了后退火温度对晶体、形态、光学和光电性能的影响[6].目前，在已有的多种制备CdSe薄膜的技术(如热蒸发[7]、射频磁控溅射[8]、喷雾热解[9]、连续离子层吸附反应[10]等)中，磁控溅射技术因具有操作简单、易于维护、再现性好以及适用于不同沉积温度等优点，受到学者们的关注[11].研究显示，磁控溅射参数(溅射功率、溅射压强、Ar流量、衬底温度等)会对薄膜材料的物理性能产生较大影响[12-15]；但有关磁控溅射功率对CdSe薄膜的光学、电学性能影响的研究较少，为此本文采用射频磁控溅射技术在不同溅射功率下制备CdSe薄膜，并研究了溅射功率对CdSe薄膜光电性能的影响.

1 实验

使用射频磁控溅射技术分别在玻璃和Si(111)衬底上制备CdSe薄膜.制备时，射频磁控溅射靶材为高纯度CdSe靶(质量分数为99.9%).为去除衬底表面的污染物，衬底在实验前依次浸入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声波清洗15 min，取出后用氮气吹干表面.靶材和衬底间的距离为60 mm，背景真空低于5×10-4Pa.工作气体为氩气(质量分数为99.99%).通入氩气后当反应腔室的气压升至5 Pa左右时，启动射频电源并预溅射15 min(去除靶材表面的杂质或氧化层)，然后调整实验参数并正式开始实验.实验的具体参数见表1.实验结束后，待温度冷却后取出样品备用.

表1 制备CdSe薄膜的实验参数

采用岛津5000型X射线衍射仪(XRD)测量薄膜的结构性能，采用FEI Quanta FEG 250型场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征薄膜的表面形貌，采用扫描电子显微镜附带的能量色散X射线光谱仪(EDAX)定性和定量地分析薄膜的元素组成，采用岛津UV - 3600型分光光度计(UV- VIS - NIR)测量薄膜的光学性质，采用775 HMS Matrix型霍尔效应测试仪测量薄膜的电学性能.

2 结果与讨论

图1是不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的XRD图谱.由图可以看出，在2θ=25.47° 处附近出现了CdSe(111)的衍射峰，峰位置与JCPDS数据中的#88 - 2346相匹配.当溅射功率从50 W增加到100 W时，CdSe(111)衍射峰的强度随之逐渐增大，表明薄膜的结晶性逐渐增强.其原因是：当溅射功率比较低时(50、60 W)，Ar+离子轰击靶材的能量较低，由此被溅射出的Cd2+和Se2-离子的能量也较低，CdSe薄膜难以在衬底上成核生长；当溅射功率升高时，Ar+离子轰击靶材的能量提高，由此被溅射出的Cd2+和Se2-离子的能量也得到提高，进而促进了CdSe薄膜的成核生长[16].另外，由图1还可以看出，较高溅射功率下的主峰比较低溅射功率的主峰更加窄和尖锐，这进一步表明在较高的溅射功率下制备的薄膜具有更好的结晶度[17].

图1 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的XRD图

表2 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的结构参数

图2为不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的FESEM图像.由图可以看出，薄膜晶粒大小均匀，且表面致密、平滑，由此表明薄膜的结晶质量较高.另外，随着溅射功率的增加，薄膜的晶粒逐渐增大，这与XRD的结果一致.

图2 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的FESEM图

图3为不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的EDAX光谱.由图3可以看出，薄膜中除来自衬底的Si元素外，只有Cd和Se元素，由此表明制备的薄膜是纯净的CdSe薄膜.

图3 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的EDAX光谱

图4为不同溅射功率对Cd和Se原子百分比的影响.由图4可以看出， Cd和Se的原子百分比随着溅射功率的增加而逐步改善.当溅射功率为100 W时，样品的Cd和Se的原子百分比为1.06∶1(接近1∶1)，表明在高溅射功率下可制备出接近于化学计量的薄膜.

图4 不同溅射功率对Cd和Se原子百分比的影响

图5为不同溅射功率下制备的CdSe薄膜在300～1 700 nm波长范围内的透射图谱.由图5可以看出：透射光谱在可见光区内有明显的吸收边，表明带边附近缺陷密度较低，薄膜结晶度良好[17].在近红外区域内薄膜的平均透过率均在73%左右，表明CdSe薄膜的透过率受溅射功率的影响较小.另外，图中干涉条纹明显，表明薄膜表面形貌光滑，这与上述FESEM图像的分析结果一致.

图5 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的光学透射率

为进一步研究薄膜的光学性质，利用Tauc关系式(αhν=A(hν-Eg)n，A是常数，Eg是带隙， hν是光子能量， CdSe为直接跃迁半导体，n取1/2)[21]估算了薄膜的光学带隙.(αhν)2与光子能量的关系如图6所示.在图6中，将直线部分外推至α=0 cm-1处的能量轴，截距的数值即为所求的CdSe薄膜的带隙值.由图6所得的带隙值见表3.由表3可以看出，带隙在1.714～1.773 eV范围内变化，且随着溅射功率的增大带隙向更长的波长方向移动(红移).

图6 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的(αhν)2与光子能量的关系

表3 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜在近红外区的平均透射率及光学带隙值

图7为不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的吸收光谱.由图7可以看出，样品的吸收率在可见光区内较高，在近红外区较低，该结果与透射光谱的结果一致.另外，薄膜在可见光区内的吸收能力随溅射功率的增加而增加(在100 W时达到最高)，这表明增加溅射功率可提高薄膜的吸光度.

图7 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的吸收光谱

不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的电阻率和载流子浓度如表4所示.由表4可以看出，随着溅射功率的增加，薄膜的电阻率呈显著降低趋势，而载流子浓度则呈显著增加趋势，该结果可能与薄膜结构缺陷的减少和晶粒生长有关[4].

表4 不同溅射功率下制备的CdSe薄膜的电阻率和载流子浓度

3 结论

本文采用射频磁控溅射技术在不同溅射功率下制备了CdSe薄膜.利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、紫外可见近红外分光光度计和霍尔效应测试仪对薄膜的结构、原子组成、微观形貌、光电学特性进行研究发现：薄膜优先取向为(111)方向，且结晶性良好.样品的Cd和Se原子百分比随着溅射功率的增加而逐步改善.薄膜在近红外区的透过率受溅射功率的影响较小，且平均透过率均在73%左右.溅射功率由50 W增加至100 W时，薄膜的带隙由1.773 eV减小至1.714 eV，电阻率由0.769 52 Ω·cm降低至0.124 17 Ω·cm，载流子浓度由3.120 5×1015cm-3增加至5.301 8×1015cm-3.以上研究结果表明，射频磁控溅射功率对CdSe薄膜的微观结构及光电性质的影响较大，该结果可为CdSe薄膜在光电器件中的应用提供参考.在今后的研究中，我们将进一步研究采用射频磁控溅射法制备CdSe薄膜时沉积条件对薄膜性质的影响.