低阻czt薄膜的制备.docx

密级公开学号101566毕业设计（论文）低阻CdZnTe薄膜的制备院（系、部）：材料科学与工程姓 名：王浩生年 级：材101专 业：材料科学与工程指导教师：曾冬梅教师职称：讲师2014年06月06日北京北 京 石 油 化 工 学 院毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书学院（系、部）材料科学与工程专业 材料科学与工程 班级 材101 学生姓名 王浩生 指导教师/职称 曾冬梅/讲师 1.毕业设计（论文）题目低阻CdZnTe薄膜的制备2.任务起止日期： 2014年 2 月17 日 至 2014年5月30日3.毕业设计（论文）的主要内容与要求（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）CdZnTe是一种光电性能优异的 II-VI族化合物半导体，具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点。因此，CdZnTe多晶薄膜被用来制备薄膜太阳能电池的被接触层。而当电子流过界面时，其电阻的高低决定着由此产生的功率损耗。因此，制备出具有低电阻的CdZnTe薄膜成为制备高转化率太阳能电池的关键。本课题利用磁控溅射和离子溅射制备薄膜。采用Cd0.96Zn0.04Te晶体靶，以物理气相沉积为理论，采用磁控溅射法在ITO玻璃上制备CdZnTe薄膜。研究溅射功率，溅射时间，工作气压及衬底温度等工艺参数对薄膜性能的影响。利用 XRD、AFM、紫外分光光度计、吉时利半导体分析测试系统等测试对低阻 CdZnTe 薄膜的结构及物理性能进行分析。分析研究不同工艺参数队薄膜电阻率之间的影响，确定磁控溅射技术制备低阻CdZnTe薄膜的最佳工艺参数。通过本课题的研究，培养学生查询收集文献资料和外文翻译的能力，写出一篇论文综述，翻译一定数量的外文资料（20000个英文字符）；查阅中英文文献（20-40篇）。预期培养目标：通过一学期完成毕业设计论文的过程，得到一篇有学术价值的论文，以便今后应用于生产实际。最终提交材料：文献综述、外文资料的翻译文稿（含原文）、毕业论文。4.主要参考文献1 张育潜，查钢强，傅莉，等.CdZnTe 单晶表面原子结构J. 人工晶体学报，2008, 37（2）：289-292.2 韦永林.碲锌镉探测器的制备及性能研究D.成都：四川大学，2005.3 Murali K R. Properties of brush plated CdxZn1-xTe thin filmsJ. Solar Energy, 2008,82: 220-225.4 Sellin P J. Thick film compound semiconductors for X-ray imaging applicationsJ. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2006,563:1-8.5 查刚强. CdZnTe晶体的加工与表面质量控制D. 西安: 西北工业大学, 2004.6 郝正同，谢泉,杨子义.磁控溅射法中影响薄膜生长的因素及作用机理研究.贵州大学学报（自然科学版），2010 年2 月，27卷（第1期）：62-647 余东海,王成勇,成晓玲,等.磁控溅射镀膜技术的发展.真空VACUUM，2009 年 3 月第 2期（46卷）：19-208 周昊，CdZnTe薄膜制备与性能表征西北工业大学 20109 Molva E,Chamonal J P,Pautrat J L.Shallow acceptors in Cadmium TellurideJ.Physica Status Solidi,1982,109:635-64410 刘恩科，朱秉升，罗晋升，半导体物理学，电子工业出版社，北京，20035.进度计划及指导安排1)2014.2.17-2014.2.28理论基础知识学习，准备开题报告，确定模拟方案。2)2014.3.03-2014.3.14纂写开题报告，进行开题报告。3)2014.3.17-2014.3.28购买实验材料，加工处理靶材，确定实验参数4)2014.4.01-2014.5.09研究不同工艺参数CdZnTe薄膜的性能影响5)2014.5.12-2014.5.30 纂写毕业论文。6)2014.5.30-2014.6.04准备答辩。任务书审定日期 2014年 2月17日 系（教研室）主任（签字）任务书批准日期 2014年 2月18日 教学院（系、部）院长（签字）任务书下达日期 2014年 2月19日 指导教师（签字）计划完成任务日期 2014年5月30日 学生（签字）低阻CdZnTe薄膜的制备摘要CdZnTe是一种光电性能优异的 II-VI族化合物半导体，具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点。因此，CdZnTe多晶薄膜可以用来制备CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池。本论文以Cd0.96Zn0.04Te晶体为溅射靶材采用磁控溅射法在ITO玻璃上沉积低阻CdZnTe薄膜。利用原子力显微镜、XRD、紫外分光光度计和吉时利半导体分析测试系统测设观察研究了CdZnTe薄膜的表面形貌、结构，及光电性能，研究了不用工艺参数下对低阻CdZnTe薄膜性能的影响。结果表明，溅射时工作压强的增大以及靶间距的增大会使薄膜的结晶质量变差，致密度较差，其表面的粗糙度也大，而衬底温度的增大则会使薄膜的结晶质量变好，致密度也较好，其表面的粗糙度也变好；随着溅射时压强的增大薄膜的禁带宽度逐渐变大；随着衬底温度的升高，薄膜的禁带宽度值逐渐变小；衬底温度的增大，使得薄膜的电阻率增大；靶间距的增大和工作压强的增大则使薄膜的电阻率变小。关键词：磁控溅射法，CdZnTe薄膜，工艺参数AbstrastCdZnTe is a kind of photoelectric performance II - VI compound semiconductor, the family has high absorption coefficient, forbidden band width match the solar spectrum, etc.Therefore, CdZnTe polycrystalline thin films can be used in the preparation of CdS/CdZnTe thin film solar cells.It shows In this paper, combined magnetron and ion beam deposition equipment ITO glass substrate in a Cd0.96Zn0.04Te successfully prepared polycrystalline films.And using atomic force microscope, XRD, uv spectrophotometer and keithley semiconductor test system to study the surface morphology ,the photoelectric performance,andthe structure of the CdZnTe thin film, then getthe effect of technological parameters on the properties of low resistance CdZnTe thin film.The results show that when working with the increase of the pressure and the increase of sputtering distance make the film crystallization,s quality becomes poor and low density, and the surface roughness is also being bad, while the increase of substrate temperature makes the crystallization ,the density,andthe surface roughnessof the thin film become better.With the increase of sputtering pressure film forbidden band width increases gradually.But the increase of substrate temperature makes film forbidden band width value decreased .However,the increase of substrate temperature makes the film resistivity increase,and the increasing of the sputteringdistance and working pressure decrease resistivity of thin film.Keywords: magnetron sputtering method, CdZnTe thin film, the process parameters目 录摘要IAbstrastII第一章前言11.1本课题选题背景和研究意义11.1.1 选题背景11.1.2 研究意义11.2CdZnTe薄膜的特性与应用21.2.1 CdZnTe薄膜的特性21.2.2 低阻CdZnTe薄膜的应用21.3磁控溅射技术31.3.1 概述31.3.2 基本原理41.3.3 磁控溅射技术的优点与缺陷51.4课题研究的内容与要解决的问题61.4.1 研究内容61.4.2 要解决的问题7第二章 实验材料、实验设备和试验方法82.1 实验材料82.2 实验设备82.2.1 XRD检测设备82.2.2 原子力显微镜92.2.3 紫外可见分光光度计102.2.4 Keithley半导体性能测试系统102.3 试验方法122.3.1超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜机的操作步骤132.3.2实验前后试样比较132.4 试样的准备142.4.1 ITO玻璃的前期处理工作142.4.2 溅射靶的前期处理工作14第三章 分析与结论153.1靶间距对薄膜性能的影响153.1.1靶间距对薄膜的结构影响153.1.2靶间距对薄膜的光学性能的影响分析173.1.3靶间距对薄膜电学性能的影响分析183.2工作压强对薄膜性能的影响183.2.1工作压强对薄膜的结构影响183.2.2工作压强对薄膜的光学性能的影响213.2.3工作压强对薄膜电学性能的影响213.3衬底温度对薄膜性能的影响223.3.1衬底温度对薄膜的结构影响223.3.2衬底温度对薄膜的光学性能的影响243.3.3衬底温度对薄膜的电学性能的影响25第四章 结论27参考文献28致谢30声明31IV第一章 前言1.1 本课题选题背景和研究意义1.1.1 选题背景随着世界文明的发展，人类对能源的需求不断增加。而传统的化石能源如煤、石油、天然气等，不仅储量有限，而且其使用对生态环境的污染和破坏已引起越来越多的关注。太阳能作为取之不尽的绿色能源，充满了诱人的前景。自1954年美国贝尔实验室研制成功第一块光电转换效率 6的单晶硅太阳电池以来，太阳能光电技术在民用、军事和高科技领域逐步推广，成为最重要的绿色能源之一。特别是 20世纪 70 年代能源危机爆发以来，各国政府大力发展和扶持太阳能光电材料的研究、开发、生产和应用。CdZnTe是一种光电性能优异的 II-VI族化合物半导体，具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点。因此，CdZnTe多晶薄膜被用来制备CdS/CdZnTe薄膜太阳能电池。此外，由于载流子在CdZnTe薄膜内的漂移距离短，可以有效地提高收集效率，因此CdZnTe薄膜可用来制备高电阻率薄膜，应用于高性能低成本室温X 射线探测器及 C射线探测器。1.1.2 研究意义随着晶体生长技术的发展，人们发现相对于传统体单晶材料，薄膜材料不仅在成本方面优势明显，而且在商业化程度上也更容易实现。因此，人们致力于研究性能比CdZnTe体材料更优越的CdZnTe薄膜。载流子在CdZnTe薄膜内的漂移距离短，可以有效提高收集效率，人们用CdZnTe薄膜制备高性能低成本室温薄膜探测器；CdZnTe薄膜具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点，人们用能隙宽度在1.651.75eV间的CdZnTe薄膜材料作为高效级联电池的顶层材料；在CdS-CdTe电池中, 人们正在研究用CdZnTe材料替换CdTe来作为Au形成欧姆接触的吸收层材料；虽然对CdZnTe体单晶的研究由来已久，但关于CdZnTe薄膜的制备、性能及表征上尚存在诸多难题。本课题采用磁控溅射法制备CdZnTe薄膜，并研究不同制备工艺参数对CdZnTe薄膜表面形貌及电学性能等性质的影响。1.2 CdZnTe薄膜的特性与应用1.2.1 CdZnTe薄膜的特性闪锌矿结构的CdZnTe是一种 II-VI 族化合物半导体，由 Cd（Zn）和Te原子是两套面心立方晶格沿晶胞对角线方向移动 1/4 对角线距离后构成的1。CdZnTe材料因其较大的平均原子序数、较高的电阻率（可达 109cm 甚至更高）和较大的可调禁带宽度（随成分中 Zn 含量的不同，在1.45eV (CdTe)到2.25eV (ZnTe)之间连续可变）等优势，而被广泛用于天文、医学等诸多领域，成为了研究热门。但是，由于CdZnTe单晶存在一些固有缺陷使制备均匀大面积单晶CdZnTe材料十分艰难，这就大大制约了它的应用。相较于制备大尺寸单晶CdZnTe，通过沉积获得均匀的大面积CdZnTe多晶薄膜更为容易，而且薄膜较体材料节约原材料，其成本更低并可通过使用掩膜板等手段实现薄膜形状的人工可控。正因如此，CdZnTe室温薄膜探测器的制备，逐渐成为当今研究的热点2-3。而要想制得高性能的薄膜探测器器件，就必须首先要求拥有高质量的薄膜材料。1.2.2 低阻CdZnTe薄膜的应用（1）低阻CdZnTe薄膜在探测器方面的应用三元合金半导体碲镉(Cd1-xCdxTe)是一种有重要应用价值的探测器材料，它的禁带宽度随组成而变化。调节x值，可获得不同电阻值的薄膜晶体。晶体的电阻率是衡量晶体电学性能的一个重要指标。对于电阻率在 103107 cm 4的低阻 CZT晶体，一般可以制作具有整流特性的Schottky型探测器。在Schottky型探测器中利用CZT与CdS形成肖特基势垒的金属半导体。由于半导体材料的表面对紫外光由很强的吸收，而CdS晶体的厚度太薄在操作上又很困难。所以为了提高量子效率，可以利用CdZnTe薄膜作为光致面，即透明电极。而低电阻的CdZnTe薄膜对探测器的总体串联电阻影响较小，从而能保证较好的信号输出。（2）低阻CdZnTe薄膜在太阳能电池应用中做吸收层材料为了将薄膜太阳电池产生的电流引导到外加负载，需要在p-n结的两面建立金属连接。CdTe薄膜太阳能电池一般是在ITO玻璃上沉积的，ITO玻璃本身可以作为整个薄膜电池的前电极，背电极一般在CdTe薄膜上渡Cu。但Dobson5认为在用Cu做CdTe薄膜太阳能电池的背电极时，Cu在富Te的CdTe表面上容易形成置换缺陷，且由于CdTe具有很高的功函数（5.5eV），与Cu难以形成欧姆接触。为了解决这个问题，可以利用两种机制，一是令Schottky势垒高度改变，使其尽可能小；另一种是采用扩散、离子注入和外延等技术在金属半导体界面形成重掺杂层，使势垒宽度尽可能薄，电子在场发射模式（Field Emission）下由隧道效应穿过势垒，形成电流6。由于CdTe很难实现重掺杂，不能通过隧道输运解决欧姆接触问题。因此,要提高薄膜太阳电池的性能和实现规模化生产，必须解决欧姆接触问题。目前的解决办法主要从两个方面入手：1）沉积高掺杂的吸收层材料，势垒宽度尽可能薄，以改善接触性能；2）用功函数高的Au替代Cu做电极，以形成欧姆接触。由于CdZnTe与CdTe、ZnTe之间的价带、晶格常数等相近，可以利用CdZnTe薄膜替换CdTe薄膜，在与Au电极形成欧姆接触方面，CdZnTe材料也具有独特的优势。CdZnTe是一种光电性能优异的 II-VI族化合物半导体，具有吸收系数高，禁带宽度与太阳光谱相匹配等优点。因此，CdZnTe多晶薄膜被用来制备薄膜太阳能电池的被接触层。其扮演的结构如图 1-1所示。而当电子流过界面时，其电阻的高低决定着由此产生的功率损耗。因此，制备出具有低电阻的CdZnTe薄膜成为制备高转化率太阳能电池的关键。背电极CdZnTe薄膜CdS薄膜ITO薄膜玻璃图1-1 CdZnTe薄膜太阳能电池的结构1.3 磁控溅射技术1.3.1 概述CdZnTe薄膜既可由化学方法制备，也可通过物理气相沉积得到。化学法包括非水溶剂中的电化学沉积和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等;物理气相沉积主要有分子束外延法、近空间升华(CSS)法、共蒸发法和磁控溅射法等。其中磁控溅射法制备的CdZnTe薄膜成本较低,适用于大面积沉积薄膜，制得的薄膜与衬底之间有较大的附着力，并且还可以连续溅射多层薄膜，引起了越来越多研究人员的兴趣。周昊等7采用真空蒸发沉积技术在ITO玻璃上制备得到CdZnTe纳米晶薄膜。并利用台阶仪、X 射线能谱仪( EDS)、X 射线衍射仪( XRD)和原子力显微镜( AFM) 研究了CdZnTe薄膜厚度、成分、结构和形貌特征。实验结果表明,薄膜在( 111) 面表现出明显的择优生长特性。曾冬梅等8采用射频磁控溅射的方法在玻璃衬底上制备出CZT薄膜,研究了溅射功率对CZT薄膜结构组织和成分的影响；对薄膜成分分析表明：采用晶体靶Cd0.9Zn0.1Te溅射CZT薄膜时，Cd原子表现为择优溅射原子。对薄膜的组织和结构分析表明，CZT多晶薄膜具有闪锌矿结构和沿(111)的择优取向。随着溅射功率的增加，薄膜生长速度加快，以物理吸附方式存在于薄膜表面的Zn解析成ZnTe相。本课题中用磁控溅射法制备CdZnTe薄膜，采用Cd0.96Zn0.04Te晶体靶，研究靶间距，工作气压及衬底温度等工艺参数对薄膜性能的影响。1.3.2 基本原理溅射镀膜是在真空室中，利用辉光放电产生的正离子在电场作用下加速后轰击靶表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。磁控溅射是在磁场控制下产生的辉光放电，在溅射室内加上与电场垂直的正交磁场，以磁场来改变电子的运动方向，使磁控靶表面的电子作旋轮线运动，这样电子能够在靶面附近滞留较长的时间而有较多的机会去撞击溅射气体原子，从而提高电子对工作气体的电离几率和有效利用电子的能量，经多次碰撞后的电子能量逐渐降低,摆脱磁力线的束缚，最终落在基片、真空室内壁等地方。其工作原理如图1-2所示,在阳极与阴极之间加一正交电磁场，电子e在电场的作用下，与氩原子碰撞,电离出Ar+和二次电子e1。靶材受到高速Ar+轰击后逸出的中性粒子向衬底迁移，到达衬底表面之后，经过吸附、凝结、表面扩散迁移、碰撞结合形成稳定晶核，晶粒长大后互相联结聚集，最后形成连续状薄膜。由于溅射出的中性原子落在基片上的过程中能量快速降低，与由热力学平衡条件规律控制的热蒸发等薄膜沉积方法相比，溅射沉积有非平衡态的特点。图1-2磁控溅射工作原理示意图9常用的磁控溅射模式有直流磁控溅射、射频磁控溅射和反应磁控溅射。直流溅射只适用于金属靶的溅射，若在直流溅射中使用非金属靶，由于撞击到靶上的离子会使靶带电，靶的电位上升，结果离子不能继续对靶进行轰击。所以在靶上加上射频电源，射频电流可以通过绝缘体两面间的电容而流动，消除了靶的电位持继上升，从而也可对绝缘体进行溅射。射频溅射是一种可采用任何材料的靶，在任何基片上沉积任何薄膜的方法。在溅射过程中，主动地在放电气体中混入活性气体，通过控制活性气体的比例及压强控制所合成的化合物的成份和性质，从而达到制备化合物薄膜的方法称为反应溅射。1.3.3 磁控溅射技术的优点与缺陷溅射镀膜在磁场的控制下工作,有着显著的优点：1)由于电磁场的作用，电子与放电气体的碰撞几率增高，气体的离化率从而增大，使低气压溅射成为可能。而且在电磁场的作用下，二次电子在靶表面作旋轮运动，只有能量耗尽后才脱离靶表面，使得基片损伤小、温度升高幅度低。2)高密度的等离子体被电磁场束缚在靶面附近，不仅提高了电离效率，使工作气压大大降低，而且有利于正离子有效的轰击靶面，使沉积速率有效提高。3)由于工作气压低，所以减少了工作气体对被溅射出的粒子的散射作用，有利于沉积速率的提高，并可增加膜层与基片的附着力10。磁控溅射与其它镀膜技术相比具有如下特点：可制备成靶的材料广，几乎所有金属，合金和陶瓷材料都可以制成靶材；在适当条件下多元靶材共溅射方式，可沉积配比精确恒定的合金；在溅射的放电气氛中加入氧、氮或其它活性气体，可沉积形成靶材物质与气体分子的化合物薄膜；通过精确地控制溅射镀膜过程，容易获得均匀的高精度的膜厚；通过离子溅射靶材料物质由固态直接转变为等离子态，溅射靶的安装不受限制，适合于大容积镀膜室多靶布置设计；溅射镀膜速度快，膜层致密，附着性好等特点，很适合于大批量，高效率工业生产11。1.4 课题研究的内容与要解决的问题1.4.1 研究内容（1）磁控溅射法制备CdZnTe薄膜：以物理气相沉积为理论，采用磁控溅射法在ITO玻璃上制备CdZnTe薄膜。采用Cd0.96Zn0.04Te晶体靶,研究靶间距，工作气压，及衬底温度等工艺参数对薄膜性能的影响。本课题主要利用Cd0.96Zn0.04Te晶体靶在磁控溅射条件下轰击ITO玻璃，在其表面沉积形成CdZnTe薄膜。Cd0.96Zn0.04Te可以看成是在CdTe中通过掺杂Zn获得的，其机理主要是通过一定数量的Zn原子替换一定数量的Cd原子，使得Zn原子和Cd原子的原子数量比为0.96:0.04。研究表明，本征CZT晶体的带隙随着Zn组分的增加而增大，这使得电子-空穴不易形成，导致本征电导率随Zn组分的增加而单调的增加12，如图1-3所示；因此选择Zn含量越低的靶材对于获得较低电阻的CdZnTe薄膜是很有必要的。目前由于低Zn含量（0.040.20）的CZT晶体的制备较容易实现，结合本课题我们最终选择利用Cd0.96Zn0.04Te晶体在ITO玻璃上沉积获得所需要的薄膜样品。图1-3 Zn含量所对应的薄膜的电阻率以及禁带宽度我们将所制备的薄膜进行编号。如表1（1）1（3）所示。表1（1）靶间距参数的变化试样编号溅射功率(w)溅射时间(min)溅射压强(Pa)靶间距(cm)1#40301.55.52#40301.56.53#40301.57.5表1（2）工作压强参数的变化试样编号溅射功率(w)溅射时间(min)溅射压强(Pa)4#40300.55#40301.53.05.06#40307#4030表1（3）衬底温度参数的变化试样编号溅射功率(w)溅射时间(min)溅射压强(Pa)溅射温度（）8#40301.509#40301.510010#40301.520011#40301.5300（2）性能表征与分析利用 XRD、AFM、紫外分光光度计、吉时利半导体分析测试系统等测试对CdZnTe薄膜的结构及物理性能进行分析。1.4.2 要解决的问题通过对CZT薄膜进行性能表征与分析，研究靶间距、工作压强及衬底温度对薄膜性能的影响；第二章 实验材料、实验设备和试验方法2.1 实验材料Cd0.96Zn0.04Te晶体靶以及ITO玻璃。2.2 实验设备本次实验所用到的设备主要有超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜机、X射线衍射仪、原子力显微镜、紫外分光光度计、吉时利半导体分析测试系统，在下文中主要对其中几种设备仪器做详细介绍。2.2.1 XRD检测设备（1）本实验采用的是由日本理学（Rigaku）公司研制的X射线衍射仪（XrayDiffractometer）。 XRD检测设备如图2-1所示。图2-1 XRD检测设备XRD 检测设备型号：DmaxRB (12KW) 旋转阳极；Cu 靶（ = 1.5406A ）；工作电压：40kv；工作电流：150mA（2） X射线衍射的物相分析原理XRD，全称X射线衍射图谱分析，它是通过把X射线对物质的衍射结果做成图谱，由PDF对照卡查出材料的主要成份的研究方法。按照布拉格公式2dsin=n,式中d为晶体间距，为衍射角，为X射线波长，n为衍射指数。当用已知波长()的辐射衍射古体式样时，用探测器依次测出一系列衍射线束的值和强度I,就可以算出该式样的一系列晶面间距d值而进行晶体结构分析，这样的一起就成为X射线衍射仪。入射线从X射线管焦点(F)发出、经梭拉光栏(S1)、发散光栏(DS)投射到样品(S)表面产生衍射，衍射线经过接收光栏(RS)、梭拉光栏(S2)、防散射光栏(SS)进入探测器。F和SS位于同一圆周上，这个圆周称为衍射仪圆。在进行分析工作时，探测器沿衍射仪圆移动，检测出各X射线并转换成电信号，然后通过放大器，脉高分析器处理记录强度(I)，这样逐一测出各衍射线束的2值和强度(I)，根据布拉格公式算出晶面间距d值。把算得的d1,d2,d3值和测量强度I1,I2,I3同卡片就可以知道样品中的物相。现代X射线衍射仪用计算机储ASTM有卡片。计算机根据测定的衍射谱自动联机比较告知被测样品的物相。由于X射线不能聚焦，只能用光栏限制入射X射线束，故X射线衍射仪只能进行宏观物相分析。利用XRD可以精确测定晶体物质的点阵参数，点阵参数是晶体结构最基本的参数，任何一种晶体物质在一定状态下都有一定的点阵参数，但当温度、受力状态、化学成分等任一条件发生变化时，都将引起点阵参数的相应变化、测定点阵参数的目的，是为了求得物质的物理参量以及研究溶入杂质后引起的性质变化和参数的关系等。2.2.2 原子力显微镜（1）本实验采用的设备如下图所示；图2-2原子力显微镜（2）原子力显微镜的工作原理原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间的作用力，从而达到检测的目的，具有原子级的分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德宾宁与斯坦福大学的Calvin Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。2.2.3紫外可见分光光度计（1）紫外可见分光光度计的工作原理当光通过固体材料时，光与固体中电子、原子(离子)相互作用，可以发生光的吸收、反射等，这些现象的规律是和物质的电子结构、原子结构及其运动有关的。固体光谱方法是测量固体对光的吸收、反射和散射等与光波长的关系，以探明物质中电子和原子的状态及运动情况。材料光学吸收系数可通过透过率和薄膜厚度计算，有如下三个公式13：T=IT/I0 （2-1）T=e-d（2-2）=-d-1ln(T）（2-3）上述公式中，I0为入射光强度，IT为透射光强度，T为薄膜在不同波长处的透过率，d为薄膜厚度，为薄膜的吸收系数。根据公式（2-1）、（2-2）和（2-3），结合公式Tanc关系式14（hv）2=C(hv-Eg) ( 2-4 )绘制出（hv）2与hv的关系曲线，然后对线性吸收区做外延线，取其与横坐标的截距，即得到样品的光学禁带宽度Eg。2.2.4Keithley半导体性能测试系统本次分析采用Keithley半导体性能测试系统对样品进行电学性能的测试工作。Keithley半导体性能测试系统具有数字多用表、数据采集、数据基本计算（线性转换、倒数、最大值、最小值和平均值等）和数据记录的功能15。可以测量常规的交直流电流、交直流电压、电阻等；还可以直接测量频率、周期和温度（接热电偶、热敏电阻）。特点是测量精度高、速度快（多通道：500 通道次/秒；单通道 3500/秒）、范围广。当前市场上的传感器的信号基本上都是输出标准的电流或电压信号，只要配备不同物理量的传感器，就可以测量各种类型的参数，例如温度、相对湿度、照度、压力等16。图2-3吉时利4200型半导体特性分析系统（1）薄膜电学性能测试I-V测试就是在器件的两端加不同的电压，测量器件的电流特性，从而得到关于材料和器件输运性质的参数，如电阻率、载流子浓度等。镀膜过程中，工艺参数的变化对薄膜的电学性能有很大影响。本节主要探讨不同工艺参数对CdZnTe薄膜的电阻的影响规律。（2）薄膜表面的电阻率计算如图2-4所示，在分别点有银电极的CdZnTe薄膜表面和ITO薄膜，两个银电极是通过CdZnTe薄膜和ITO薄膜导通的。在这样的情况下，两个电极之间的电阻R总=R膜+RITO，相对于CdZnTe薄膜的电阻来说，ITO膜的电阻要远远小于CdZnTe薄膜的电阻，因而ITO膜可以视为良导体，它的电阻可以忽略不计，故有R总=R膜，R膜的数据可以通过Keithley4200- SCS半导体性能测试系统测得。根据公式：（2-5）就是电阻率，L为材料的长度，S为面积，在点有电极的薄膜表面上，R即为R膜，S为两电极之间的接触面积，测得为4mm2，L即为薄膜的厚度d膜，故有：（2-6）图2-4薄膜表面接触示意图2.3 试验方法图2-5超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜机利用超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜机是在真空中利用电子或高能激光轰击靶材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并且最终沉积在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。2.3.1超高真空多功能磁控与离子束联合镀膜机的操作步骤(1)开机放样品开总电源，开水及总控开关。打开放气阀，待放气完毕，关闭放气阀，升上盖，放溅射靶，放入阴极罩，降上盖。(2)抽真空打开机械阀、截止阀，打开真空计，打开预抽阀，待真空计示数低于20Pa时，关闭高阀，运行分子泵（启动时间约10分钟）。(3)充气待真空度达到期望值后开始充气。打开气瓶，关闭电离规，关小高阀，打开流量计（MFC4处），打开进气阀，调节阀控旋钮控制真空计示数，至真空计示数达到期望值(4)起辉打开射频总电源（可以在机的时候就打开，以便节省时间），约30分钟后“OFF”灯亮便可以按下“ON”按钮。在Ua调节处，调节红色按钮，使得功率计处两指针摆动当交点低于1.5曲线下时可以保证起辉，当交点高于1.5曲线时，按下“自动调控”按钮，将交点调控至1.5曲线下。按所需膜厚控制起辉时间。起辉结束后，按“OFF”按钮，关闭射频总电源。关流量计，关闭进气阀，关闭气瓶。(5)取样品关闭高阀，停分子泵。待分子泵转速为零后，打开放气阀，待放气完毕，关闭放气阀，生上盖，取出样品，降上盖。(6)设备抽真空关机待真空度达到期望值后，就可以关闭设备了。关高阀，停分子泵，关真空计，关截止阀，关闭总控电源，关水，关总电源。2.3.2实验前后试样比较通过对比实验前后的试样，可以明显的感觉到处理完的试样和原始试样的不同，我们可以发现，试样表面的粗糙度和颜色都改变了，而且对于不同的工艺，试样的外观也是不同的，我们还应该注意到，即使是同种工艺，但在不同的条件下，试样的外观也是不同的。2.4 试样的准备实验试样的准备工作主要分为两部分，分别是ITO玻璃的切割以及清洗、烘干、嵌入，靶的清洗及烘干。2.4.1 ITO玻璃的前期处理工作利用切割设备在ITO玻璃上切出2.5cm x 2.5cm的块状，每次切出5块，然后分别在纯水、乙醇、丙酮、乙醇等清洗介质中利用超声波设备每次清洗78分钟，清洗完毕后烘干嵌入已处理过的靶中，注意渡有ITO薄膜的玻璃面朝下。2.4.2 溅射靶的前期处理工作利用砂纸对靶进行打磨清洗，待打磨干净后在超声波设备中清洗78分钟后烘干待用。第三章 分析讨论3.1靶间距对薄膜性能的影响本组实验是在溅射功率为40w、溅射时间为30min、工作压强为1.5Pa、衬底温度为25条件下研究不同靶间距对薄膜性能的影响。下面我们将一一进行讲述。3.1.1靶间距对薄膜的结构影响本实验采用的是由日本理学（Rigaku）公司研制的X射线衍射仪对不同靶间距下沉积所得的薄膜进行分析；图3-1为相对应条件下获得薄膜样品所对应的XRD图谱；由图可看出，可以看出在薄膜的（111）面总会优先沉积获得CdZnTe相；（220）晶面也同时出现CdZnTe相，而（200）面则出现CdTe相。随着靶间距的增大，薄膜晶体的（111）所对应的衍射峰强度变小。图3-2为在不同靶间距下沉积的CZT薄膜XRD图谱的（111）面衍射峰半高宽与压强关系曲线。我们知道衍射峰半高宽FWHM越小，表明晶体结晶程度越好。可以看出随着衬底温度的增大，对应沉积的CZT薄膜XRD图谱的（111）面衍射峰半高宽逐渐变大，表明对应的薄膜晶体结晶度越来越差。3-1不同靶间距下获得的样品的XRD图谱图3-2不同靶间距沉积的CZT薄膜XRD图谱的（111）面衍射峰半高宽与靶间距关系曲线abc图3-3不同靶间距沉积薄膜的AFM图像(a) 5.5cm (b) 6.5cm (c) 7.5cm图3-3分别给出用不同靶间距下沉积薄膜的AFM图像(2.5um2.5um)。由图3-3可以看出，当靶间距为5.5cm时，薄膜的平均晶粒尺寸约为115nm；当靶间距增大到6.5cm时，平均晶粒尺寸增大至169.66nm；当靶间距增大到7.5cm时，随靶间距增大，平均晶粒尺寸增至189.19nm。4个