1、第 29 卷 第 4 期2023 年 8 月（自然科学版）JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)Vol.29 No.4Aug.2023DOI:10.12066/j.issn.1007-2861.2484电极对 CdZnTe 光电探测器性能的影响师好智1,王林军2(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)摘摘摘要要要:CdZnTe 材料具有较宽的禁带宽度和化学稳定性,使其成为制备紫外光电探测器的理想材料.电极与 CdZnTe 材料之间良好的接触特性对制备高灵敏度
2、和高稳定性的紫外探测器具有关键作用.制备了单电极 Au/CdZnTe/Au 探测器和复合电极Au/GaZnO(GZO)/CdZnTe/GZO/Au 探测器,研究了不同电极对 CdZnTe 紫外光电探测器性能的影响.关关关键键键词词词:CdZnTe;电极;光电探测器;紫外线探测器;接触特性中中中图图图分分分类类类号号号:O 434.2文文文献献献标标标志志志码码码:A文文文章章章编编编号号号:1007-2861(2023)04-0796-07Effect of electrode on the performance ofCd1xZnxTe photodetectorSHI Haozhi1,WA
3、NG Linjun2(1.Shanghai Tianjiao Electromechanical Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200443,China;2.School of Materials Science and Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)Abstract:CdZnTe has a wide band gap and chemical stability,making it an ideal materialfor the preparation of UV(ultraviol
4、et)photodetectors.Good contact between the electrodeand CdZnTe plays a key role in the preparation of highly sensitive and stable UV detec-tors.In this work,a single electrode Au/CdZnTe/Au detector and a composite electrodeAu/GaZnO(GZO)/CdZnTe/GZO/Au detector were prepared,and the effects of differe
5、ntelectrodes on the performance of CdZnTe UV photodetectors were investigated.Key words:CdZnTe;electrode;photodetector;ultraviolet ray detector;contact perfor-mance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
6、,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,一方面是界收稿日期:2023-02-06基金项目:国家自然科学基金资助项目(12275167)通信作者:王林军(1968),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为宽禁带半导体材料与器件、光电器件的设计和工艺、光伏材料与器件等.E-mail:第 4 期师好智,等:电极对 C
7、dZnTe 光电探测器性能的影响797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 Cd
8、ZnTe 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Cd
9、ZnTe 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 mm19.5 mm0.7 mm 的硼硅玻璃衬底各 10 min,并用氮气吹干.腔体真空 6.0104Pa,溅射功率 125 W,溅射压强 0.8 Pa,衬底温度 200C.然后,在CdZnTe 薄膜上沉积 30 nm 的 A
10、u 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 397),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 cm2 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,CuK1,=0.154 06 nm)测试,薄膜的表面形貌用原子力显微镜(atomic
11、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.(a)Au/CdZnTe/Au?(b)Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au?AuAuGlassGlassGZOCd1xZnxTeCd1xZnxTe图 1 不同电极的 CdZnTe 紫外探测器结构Fig.1 Structure of CdZnTe UV detectors with different electrodes2结果与讨论图 2(a)是衬底温度为 200C 制备的 CdZnTe 薄膜 X 射线衍射图谱,可以看出在79
12、8（自然科学版）第 29 卷2=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
13、)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 107A.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108A.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
14、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,Intensity/a.u.200 C203040502/()607080(111)2 m2 m0 nm11.4 nm(b)CdZnTe?AFM?(a)CdZnTe?XRD?图 2 薄膜微观组织结构表征Fig.2 Microstructure characterization of thin filmAu1013101210111010109GZO/AuVoltage
15、/V(b)?CdZnTe?I-V?1050510Voltage/V1050510Current/A10111010109108107Current/ADark currentAu 245 nmAu 365 nmAu 400 nmGZO/Au 245 nmGZO/Au 365 nmGZO/Au 400 nm(a)?CdZnTe?I-V?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第 4 期师好智,等:电极对 CdZnTe 光电探测器性能的影响79905
16、1020152.201094.401096.601098.801091.301092.601093.901095.2010903.301096.601099.90109Time/s05102015Time/sAu 245 nmCurrent/ACurrent/AAu 365 nmAu 400 nm8.0010101.601092.401093.201091.301092.601093.901095.201091.401092.801094.20109GZO/Au 245 nmGZO/Au 365 nmGZO/Au 400 nm4.84.85.05.25.45.05.15.25.35.45.54
17、.92.201094.401096.601098.801091.301092.601093.901095.2010903.301096.601099.90109Time/sAu 245 nmCurrent/ACurrent/AAu 365 nmAu 400 nm08.0010101.601092.401093.201091.301092.601093.901095.201091.401092.801094.20109Time/sGZO/Au 245 nmGZO/Au 365 nmGZO/Au 400 nm(d)Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au?I-t?(a)Au/CdZnTe/Au?I
18、-t?(b)Au/GZO/CdZnTe/GZO/Au?I-t?(c)Au/CdZnTe/Au?I-t?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
19、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 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S=Ip IdId,(1)800（自然科学版）第 29 卷250300400350012345678910AuGZO/AuWavelength/nmSensiti
20、vity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
21、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R=Ip IdP,(2)D=RrS2eId,(3)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
22、 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0.010.020.030.040.050.06Responsivity/(mAW1)AuGZO/AuAuGZO/Au2.01.52.53.03.54.0D*(Jones)/(109)250300400350Wavelength/nm250300400350Wavelength/nm(a)?(b)?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
23、CdZnTe detectors with different electrodes第 4 期师好智,等:电极对 CdZnTe 光电探测器性能的影响801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 3.95109cmHz1/2W1.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
24、的加入降低了 Au 和 CdZnTe 之间的功函数差15,19.3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(8.60365 nm),表明 GZO 电极与 CdZnTe 薄膜有更好的接触特性.参参参考考考文文文
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