电极对CdZnTe光电探测器性能的影响.pdf

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,WANG 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(ultraviolet)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 differentelectrodes 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,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 CdZnTe 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 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 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 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 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 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798（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)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/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799051020152.201094.401096.601098.801091.301092.601093.901095.2010903.301096.601099.90109Time/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 nm4.84.85.05.25.45.05.15.25.35.45.54.92.201094.401096.601098.801091.301092.601093.901095.2010903.301096.601099.90109Time/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-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 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/nmSensitivity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 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 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献献献:1 Jia L,Zheng W,Huang F.Vacuum-ultraviolet photodetectors J.PhotoniX,2020,1(22):1-25.2 Li Y,Zheng W,Huang F.All-silicon photovoltaic detectors with deep ultraviolet selectiv-ity J.PhotoniX,2020,1(15):1-11.3 Zheng W,Lin R,Ran J,et al.Vacuum-ultraviolet photovoltaic detector J.ACS Nano,2018,12(1):425-431.4 Hu Q,Zheng W,Lin R,et al.Oxides/graphene heterostructure for deep-ultraviolet photo-voltaic photodetector J.Carbon,2019,147:427-433.5 Zheng W,Lin R,Zhang Z,et al.Vacuum-ultraviolet photodetection in few-layered h-BN J.ACS Applied 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