电极对CdZnTe 光电探测器性能的影响

师好智, 王林军

(1. 上海天交机电科技有限公司, 上海 200443; 2. 上海大学材料科学与工程学院, 上海 200444)

高性能紫外探测器已广泛应用于日常生活中的紫外监测、火焰探测、指纹检测、紫外通信以及导弹预警等民用和军事领域[1-6]. CdZnTe 作为一种新型的三元化合物宽禁带半导体材料, 具有较宽且可调的禁带宽度、高原子序数、高载流子迁移率、高电阻率、高化学稳定性以及对光子极具灵敏性等优点, 使其成为制备高灵敏度和高稳定性紫外探测器的理想材料[7-10].近十几年来, 国内外关于CdZnTe 探测器的研究取得了较大的进展, 为未来CdZnTe 的应用作出了重要贡献. 目前, CdZnTe 探测器主要应用于粒子探测、核探测以及光探测等领域. 相关研究面临的挑战包括两方面, 一方面是CdZnTe 表面与电极之间的界面接触问题, 一方面是界面散热问题. 因此, 制备出接触性能良好的CdZnTe 探测器对性能的提升有着重大意义. 制备CdZnTe 的方法有很多种, 包括金属有机化学气相沉积[11]、分子束外延[12]、热蒸发[13]、磁控溅射[14]和近空间升华[9]等. 与其他制备方法相比, 磁控溅射法是一种非常常见的物理气相沉积法, 除了具有一般溅射的薄膜均匀性好、致密性高、附着力强、应用靶材广等优点外, 还具有沉积速率高、基片温升低、对膜层损伤小、可实现大面积镀膜等优点.

电极与CdZnTe 材料之间较差的电极接触会导致器件产生较大的漏电流, 致使暗电流增大. 性能优异的紫外光电探测器则需具备较小的暗电流. 因此, 电极与CdZnTe 材料之间的接触特性是影响探测器响应性能的关键因素. 目前, 已有研究者探索使用Al、Au、Pt、In、Zn 等金属制备CdZnTe 基器件电极[15-16]. 然而, 由于CdZnTe 的功函数较大, 且与金属电极薄膜有较大的热膨胀系数差, 因此在其表面很难与常用的金属电极材料形成良好的接触. 也有研究者使用Au/Zn 复合金属电极提升与CdZnTe 材料的接触特性, Zn 中间层电极的加入也增强了与Au 电极的黏附性[15]. Ga 掺杂ZnO(GaZnO(GZO)) 透明导电薄膜的导电性好、化学和热稳定性高, 可应用在电极材料中. 此外, GZO 与CdZnTe 有较接近的热膨胀系数, 使其成为与CdZnTe 形成良好接触的理想电极材料[17-18].

本工作采用磁控溅射法制备了高质量的CdZnTe 薄膜, 在其表面沉积Au 电极以及Au/GZO 复合电极制备CdZnTe 紫外光电探测器. 并且, 详细探究了电极对CdZnTe 紫外光电探测器性能的影响.

1 实验过程

本工作通过磁控溅射方法制备CdZnTe 薄膜, 依次在丙酮、无水乙醇、甲醇和去离子水中超声清洗尺寸为19.5 mm×19.5 mm×0.7 mm 的硼硅玻璃衬底各10 min, 并用氮气吹干. 腔体真空6.0×10-4Pa, 溅射功率125 W, 溅射压强0.8 Pa, 衬底温度200°C. 然后, 在CdZnTe 薄膜上沉积30 nm 的Au 电极, 制备如图1(a) 所示的Au/CdZnTe/Au 探测器. 如图1(b) 所示的Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器则先用磁控溅射法沉积约40 nm 的GZO电极(GZO 靶材中Ga2O3与ZnO 的质量比是3∶97), 然后沉积30 nm 的Au 电极. 电极选用载流子收集率较高的叉指电极, 大小为2 cm×2 cm, 叉指宽度0.5 mm, 间隔1 mm. 薄膜的结晶性能用X 射线衍射仪(X-ray diffraction, XRD, D/MAX-2 200 V PC 3 kW, CuKα1,λ=0.154 06 nm) 测试, 薄膜的表面形貌用原子力显微镜(atomic force microscope, AFM) 测试. 紫外(ultraviolet, UV) 探测器的光电响应性能用半导体参数分析仪(Keithley 4200/SCS)测试.

图1 不同电极的CdZnTe 紫外探测器结构Fig.1 Structure of CdZnTe UV detectors with different electrodes

2 结果与讨论

图2(a) 是衬底温度为200°C 制备的CdZnTe 薄膜X 射线衍射图谱, 可以看出在2θ= 23.95°时出现较强且半高宽较窄的衍射峰, 对应(111) 晶面取向(JCPDS No.53-0555).CdZnTe 薄膜表面形貌如图2(b) 所示, 可以看出薄膜均具有纳米晶粒特征, 且表面较为光滑,均方根粗糙度较小, 约为1.51 nm, 较为平整光滑的表面有利于与电极形成良好的接触. 图3(a) 为不同电极CdZnTe 探测器在黑暗环境中的伏安(I-V) 测试曲线, 可以看出, CdZnTe 薄膜与Au 电极及GZO/Au 电极均有良好的欧姆接触. 与Au/CdZnTe/Au 电极探测器相比,Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器具有更小的暗电流. 图3(b) 为不同电极CdZnTe 探测器分别在245、365、400 nm,光强为0.183 mW/cm2的紫外光照射下的对数I-V曲线.由图可知,Au/CdZnTe/Au 探测器的光电流随着紫外光波长的增大, 先减小后增大, 数量级均为10-7A.复合电极Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器的光电流随着紫外光波长的增大, 先增大后减小,数量级均为10-8A.图4(a)和(b)分别为Au/CdZnTe/Au 和Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au探测器在245、365、400 nm 紫外光照射下的瞬态时间响应. 从图中可以看出, 随着不同波长紫外光照的开启或关闭, 两种探测器器件的电流均快速增大和减小. 当光源打开时, 电流迅速上升至一稳定值, 当光源关闭时, 电流迅速下降, 这说明CdZnTe 探测器对紫外光具有良好的瞬态响应特性. 图4(c) 和(d) 为不同电极CdZnTe 探测器响应时间随照射波长变化的放大曲线,响应上升时间(光电流的10%～90%) 可以由图计算得出. Au/CdZnTe/Au 探测器在波长为245、365、400 nm 紫外光照射下的响应时间是逐渐增加的, 依次为0.133 4、0.136 1、0.237 4 s,对245 nm 波长的紫外光响应时间最短. Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器的响应时间随波长的增大也逐渐增加, 依次为0.124 6、0.131 4、0.131 4 s, 对245 nm 波长的紫外光响应时间也最短. 此外, 施加相同波长的紫外光, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器对紫外光的响应时间均小于单电极Au/CdZnTe/Au 探测器.

图2 薄膜微观组织结构表征Fig.2 Microstructure characterization of thin film

图3 不同电极CdZnTe 探测器I-V 测试图Fig.3 I-V test diagram of CdZnTe detectors with different electrodes

图4 不同电极CdZnTe 探测器I-t 测试图Fig.4 I-t test diagram of CdZnTe detectors with different electrodes

图5 为不同电极CdZnTe 探测器在波长为245、365、400 nm, 光强为0.183 mW/cm2的紫外光照射下灵敏度变化趋势, 灵敏度为

图5 不同电极CdZnTe 探测器灵敏度对比Fig.5 Comparison of sensitivity of CdZnTe detectors with different electrodes

式中:Ip为光电流;Id为暗电流. 光电流及暗电流均来自图3. 由图5 可知, Au/CdZnTe/Au探测器的灵敏度随紫外光照射波长增大而逐渐增大, 灵敏度依次为3.15、3.38、4.27, 波长为400 nm 时最大. Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器的灵敏度随紫外光照射波长的增大, 先增大后减小, 依次为4.07、8.60、5.83, 波长为365 nm 时最大. 在相同波长下,Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器的灵敏度均高于Au/CdZnTe/Au 探测器.

响应度(responsivity,R), 是指在单位入射光功率下, 探测器产生的光电流的大小. 响应度是反映光电探测器好坏的一个重要参量, 代表器件将光能转换为电能的能力大小. 探测率(detectivity,D*), 表示器件探测微弱信号的能力, 用于比较不同面积器件的光电探测敏感性.响应度和探测率分别为

式中:Ip为光照下的电流;Id为暗电流;P为入射光功率;R为响应度;S为有效光接触面积;e为电子电荷量. 根据式(2) 和(3), 可计算出不同电极CdZnTe 探测器在不同光照波长下的响应度和探测率(见图6(a) 和(b)). 从图中可以看出, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器对245、365、400 nm 光照下的响应度和灵敏度均大于Au/CdZnTe/Au 探测器, 表明Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器比Au/CdZnTe/Au 探测器拥有更优异的响应性能. 在400 nm 的光源照射下, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器的响应度为0.061 mA/W, 探测率达3.95×109cm·Hz1/2·W-1. 这表明GZO/Au 复合电极可以与CdZnTe 形成更好的接触, 中间层电极的加入降低了Au 和CdZnTe 之间的功函数差[15,19].

图6 不同电极CdZnTe 探测器响应度和探测率对比Fig.6 Comparison of responsivity and detectivity of CdZnTe detectors with different electrodes

3 结束语

本工作采用磁控溅射法制备了结晶质量好且表面粗糙度低的CdZnTe 薄膜, 并基于此高质量薄膜制备了Au/CdZnTe/Au 探测器和Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器. 实验结果表明, 两种探测器均对紫外光具有良好的响应性能, 且探测器稳定性较好, 响应速度快. 相较于Au/CdZnTe/Au 探测器而言, Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au 探测器具有更快的响应速度、更高的响应度和探测率、更高的探测灵敏度(8.60@365 nm), 表明GZO 电极与CdZnTe 薄膜有更好的接触特性.