CN103500776A - 一种硅基CdZnTe薄膜紫外光探测器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Si基CdZnTe薄膜紫外光探测器的制备方法，属于紫外光探测器光敏材料及器件制造工艺技术领域；本发明是采用近空间升华方法，在P型Si衬底上制备N型CdZnTe薄膜，形成CdZnTe薄膜/Si异质结结构紫外光探测器，为制作高性能的紫外光探测器提供了新的方法；本发明是一种基于硅衬底的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器，其特点在于，采用近空间升华方法在Si片上制备高平整、颗粒尺寸均匀、质量高的CdZnTe薄膜样品，所制成的异质结型探测器具有高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于硅衬底的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器的制备方法，属于紫外光探测器光敏材料及器件制造工艺技术领域。
背景技术
紫外探测技术是近几年来研究最热门的军民两用光电探测技术。由于宇宙空间、火焰、石油、气体污染物分子，以及高压线的电晕现象等都会含有紫外线辐射，因此紫外探测器在航天、通讯、民用检测等领域都有着广泛的应用需求。世界各国把固态紫外探测器技术列为当今研究开发的重点课题。在宽禁带半导体紫外探测器的研究上，过去十年主要集中在SiC、GaN、ZnO、金刚石薄膜等材料上。近几年，用热蒸发技术生长“探测器级”CdZnTe薄膜方面取得的进展引起了探测领域的研究者们的极大兴趣。
CdZnTe是重要的 
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族化合物半导体，由于其具有较高的平均原子序数和较大的禁带宽度，所以用这种材料制备的探测器具有较大的吸收系数、较高的计数率，尤其不需任何的冷却设备就能在室温下工作。其优越的光电性能，可广泛应用于X射线荧光分析、安全检测、医学成像以及空间研究。但由于CdZnTe固有的物性，熔体法生长的晶体存在成分不均匀性、晶界、孪晶、位错、夹杂相与沉淀相等许多缺陷，CdZnTe单晶材料不适合大面积平板探测器。为此，我们要寻找一种适合制备大面积CdZnTe薄膜、成本低的方法。
薄膜制备工艺相比单晶生长工艺简单，成本更低，批量生长可行性高，且基于薄膜的平面特性适合制备大面积的平板探测器。目前国际上对CdZnTe薄膜探测器的研究仍处于起步阶段。CdZnTe薄膜可由化学方法制备，也可通过物理气相沉积得到。在这些薄膜制备方法中，近空间升华法是最有前途的一种方法，这种方法成本低、速度快、质量好，适用于大面积沉积薄膜。目前，近空间升华法已用于CdTe薄膜的制备，但未见其在CdZnTe薄膜探测器上的应用。
采用近空间升华设备制备CdZnTe薄膜，薄膜表面的晶粒大小、致密度、平整度可通过工作气压来控制，以便提高CdZnTe薄膜表面的电阻率，以此来减小漏电流。在硅片上制备CdZnTe薄膜，可形成异质结，制备成光伏探测器。鉴于CdZnTe薄膜探测器具有空间分辨高、探测效率高、稳定性好、室温下工作无极化效应、造价低廉等优点，对于探测器级CdZnTe薄膜制备工艺及器件的研究是一项很有价值的工作。国内外目前尚未开始系统性地对于探测器级CdZnTe薄膜的制备工艺及其探测器件，尤其是异质结型探测器件进行研究。
发明内容
本发明的目的是采用近空间升华方法制备表面平整、高电阻率的CdZnTe薄膜，并制作基于硅衬底的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器，为制作高性能的紫外光探测器提供了新的方法。此方法制备的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器与一般采用单层CdZnTe薄膜所制备的肖特基或欧姆接触的紫外探测器有很大的不同。一般单层CdZnTe薄膜肖特基探测器利用薄膜与金属电极所形成的肖特基势垒，制备出光伏型探测器。而此方法制备的探测器则是利用两种不同的半导体接触制备出结型光电探测器，具有高放大倍数和响应速度的特点。此方法制备的探测器不仅增强了200nm~400nm段的紫外光的响应，同时还保持了一定的传统Si探测器对于波长大于400nm段光波的响应。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种硅基CdZnTe薄膜紫外光探测器的制备方法，其特征在于该方法包括如下过程和步骤：
（a）CdZnTe单晶升华源的准备：根据已知的先有技术，将高纯Cd、Zn、Te放入石英管中，在高真空下，采用移动加热法生长出质量好、成分分布相对均匀的CdZnTe单晶体，其中锌的摩尔含量为4-8%，Cd的摩尔含量为40%-46%，Te的摩尔含量为50-55%，将生长好的晶体切片作为升华源；
（b）衬底预处理：采用掺硼的（111）P型硅作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗5～15分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入近空间升华反应室内；
（c）CdZnTe薄膜生长过程：开机械泵抽真空，将升华腔内气压抽至1Pa以下后关闭机械泵，通入氩气将气压调至10~300Pa，关闭气瓶；开卤素灯将升华源及衬底分别加热到550~650℃和400~550℃；生长120min~180min后，关闭卤素灯，开机械泵抽真空至气压为10Pa以下，关机械泵，待样品冷却至室温，取出样品；
（d）N型CdZnTe薄膜退火及腐蚀：在CdCl2和ZnCl2 气氛下退火30-60min，退火温度为400-500℃；再配制浓度为0.1~0.5%的溴甲醇溶液，将退过火的样品浸入溶液腐蚀60~120s，获得表面富碲的CdZnTe薄膜；
（e）CdZnTe薄膜探测器的电极制作：在上述CdZnTe薄膜上表面采用蒸镀或溅射方法制备100~300nm厚的金属电极；然后将样品在真空中130~250°C退火30~90分钟形成良好的欧姆接触，最终制得以P型硅为衬底的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器。
本发明是一种基于硅衬底的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器的制备方法，其特点在于采用近空间升华方法制备高致密的CdZnTe薄膜，特别通过改变工作压强和生长温度，减小硅片与CdZnTe薄膜间的位错，制备出较为平整的薄膜表面和较高的电阻率。薄膜的厚度为100~700mm，
同现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
（1）近空间升华法（CSS）是一种实用性薄膜生长的工艺，已在CdTe薄膜制备上已经得到应用。近空间升华法CdZnTe薄膜制备工艺相比CdZnTe单晶生长工艺简单，成本更低，批量生长可行性高。
（2）通过近空间升华法可以制备出高质量和表面平整度的N型CdZnTe薄膜，表面粗糙度<10nm。
（3）样品可制备成异质结结构的探测器，而通过CdZnTe薄膜表面腐蚀，能得到一定程度富碲表面，这非常利于形成欧姆结构的电极，不会影响探测器内部的异质结。异质结结构的探测器相比于现在的CdZnTe金属~半导体~金属（MSM）结构探测器能很好的提高器件响应度。
附图说明
图1为本发明一种硅基CdZnTe薄膜紫外光探测器的结构示意图
图2为本发明一种硅基CdZnTe薄膜紫外光探测器的结构俯视图
图3为本发明一种硅基CdZnTe薄膜光探测器的紫外光I-V曲线
具体实施方式 现将本发明的具体实施例叙述于后。
实施例1
本实施例的制备过程和步骤如下：
（a）CdZnTe单晶升华源的准备：根据已知的先有技术，将高纯Cd、Zn、Te放入石英管中，在高真空下，采用移动加热法生长出质量好、成分分布相对均匀的CdZnTe单晶体，其中锌的摩尔含量为5%，Cd的摩尔含量为43%，Te的摩尔含量为52%，将生长好的晶体切片作为升华源；
（b）衬底预处理：采用掺硼的（111）P型硅作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗15分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入近空间升华反应室内；
（c）CdZnTe薄膜生长过程：开机械泵抽真空，将升华腔内气压抽至3Pa以下后关闭机械泵，通入氩气将气压调至80Pa，关闭气瓶；开卤素灯将升华源及衬底分别加热到550℃和400℃保持不变，生长120min后，关闭卤素灯，开机械泵抽真空至气压为10Pa以下，关机械泵，待样品冷却至室温，取出样品；
（d）CdZnTe薄膜退火及腐蚀：在CdCl2 气氛下退火30min，退火温度为400℃；再配制浓度为0.5%的溴甲醇溶液，将退过火的样品浸入溶液腐蚀60s，获得表面富碲的CdZnTe薄膜，其薄膜厚度为564um；
（e）制作电极：将上述制得CdZnTe薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中溅射150nm厚的金梳状电极；然后将样品在真空中200°C退火30分钟形成良好的欧姆接触，最终制得以P型硅为衬底的异质结CdZnTe薄膜紫外光探测器。
实施例2
本实施例的制备过程和步骤如下：
（a）CdZnTe单晶升华源的准备：根据已知的先有技术，将高纯Cd、Zn、Te放入石英管中，在高真空下，采用移动加热法生长出质量好、成分分布相对均匀的CdZnTe单晶体，其中锌的摩尔含量为5%，Cd的摩尔含量为43%，Te的摩尔含量为52%，将生长好的晶体切片作为升华源；
（b）衬底预处理：采用掺硼的（111）P型硅作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗15分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入近空间升华反应室内。
（c）CdZnTe薄膜生长过程：开机械泵抽真空，将升华腔内气压抽至3Pa以下后关闭机械泵，通入氩气将气压调至100Pa，关闭气瓶；开卤素灯将升华源及衬底分别加热到550℃和400℃保持不变，生长120min后，关闭卤素灯，开机械泵抽真空至气压为10Pa以下，关机械泵，待样品冷却至室温，取出样品；
（d）CdZnTe薄膜退火及腐蚀：在ZnCl2 气氛下退火40min，退火温度为450℃；再配制浓度为0.5%的溴甲醇溶液，将退过火的样品浸入溶液腐蚀90s，获得表面富碲的CdZnTe薄膜，其薄膜厚度为459um；
（e）CdZnTe薄膜探测器的电极制作：将上述制得CdZnTe薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中溅射150nm厚的金梳状电极。后将样品在真空中200°C退火40分钟形成良好的欧姆接触，制得基于硅片的异质结CdZnTe薄膜的紫外光探测器。
实施例3
本实施例的制备过程和步骤如下：
（a）CdZnTe单晶升华源的准备：根据已知的先有技术，将高纯Cd、Zn、Te放入石英管中，在高真空下，采用移动加热法生长出质量好、成分分布相对均匀的CdZnTe单晶体，其中锌的摩尔含量为5%，Cd的摩尔含量为43%，Te的摩尔含量为52%，将生长好的晶体切片作为升华源；
（b）衬底预处理：采用掺硼的（111）P型硅作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗15分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入近空间升华反应室内。
（c）CdZnTe薄膜生长过程：开机械泵抽真空，将升华腔内气压抽至3Pa以下后关闭机械泵，通入氩气将气压调至200Pa，关闭气瓶；开卤素灯将升华源及衬底分别加热到650℃和500℃保持不变，生长150min后，关闭卤素灯，开机械泵抽真空至气压为10Pa以下，关机械泵，待样品冷却至室温，取出样品；
（d）CdZnTe薄膜退火及腐蚀：在CdCl2气氛下退火60min，退火温度为400℃；再配制浓度为0.1%的溴甲醇溶液，将退过火的样品浸入溶液腐蚀40s，获得表面富碲的CdZnTe薄膜，其薄膜厚度为248um；
（e）CdZnTe薄膜探测器的电极制作：将上述制得CdZnTe薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中溅射150nm厚的金梳状电极；然后将样品在真空中200°C退火30分钟形成良好的欧姆接触，制得基于硅片的异质结CdZnTe薄膜的紫外光探测器。
实施例4
本实施例的制备过程和步骤如下：
（a）CdZnTe单晶升华源的准备：根据已知的先有技术，将高纯Cd、Zn、Te放入石英管中，在高真空下，采用移动加热法生长出质量好、成分分布相对均匀的CdZnTe单晶体，其中锌的摩尔含量为5%，Cd的摩尔含量为43%，Te的摩尔含量为52%，将生长好的晶体切片作为升华源；
（b）衬底预处理：采用掺硼的（111）P型硅作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗15分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入近空间升华反应室内；
（c）CdZnTe薄膜生长过程：开机械泵抽真空，将升华腔内气压抽至3Pa以下后关闭机械泵，通入氩气将气压调至300Pa，关闭气瓶；开卤素灯将升华源及衬底分别加热到650℃和400℃保持不变，生长150min后，关闭卤素灯，开机械泵抽真空至气压为10Pa以下，关机械泵，待样品冷却至室温，取出样品；
（d）CdZnTe薄膜退火及腐蚀：N型CdZnTe薄膜退火及腐蚀：在ZnCl2 气氛下退火60min，退火温度为500℃；再配制浓度为0.1%的溴甲醇溶液，将退过火的样品浸入溶液腐蚀30s，获得表面富碲的CdZnTe薄膜，其薄膜厚度为148um；
（e）CdZnTe单晶升华源：将上述制得CdZnTe薄膜上表面，在LDM150D离子束溅射仪中溅射150nm厚的金梳状电极；然后将样品在真空中200°C退火40分钟形成良好的欧姆接触，制得基于硅片的异质结CdZnTe薄膜的紫外光探测器。
使用紫外光源对探测器进行辐照，利用Keithely 4200SCS半导体性能表征等测试系统对
电流信号等进行测量测试。如图3所示，此异质结结构的CdZnTe薄膜紫外探测器所能达到
性能指标如下：在1V负偏压下暗电流密度小于0.2 nA/mm2，紫外光照射下光电流密度能达
到185nA/mm2，光电流对探测器产生正偏压，具有高的紫外探测灵敏度。
Claims (1)
1.一种硅基CdZnTe薄膜紫外光探测器的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：
（a）CdZnTe单晶升华源的准备：根据已知的先有技术，将高纯Cd、Zn、Te放入石英管中，在高真空下，采用移动加热法生长出质量好、成分分布相对均匀的CdZnTe单晶体；其中锌的摩尔含量为4-8%，Cd的摩尔含量为40%-46%，Te的摩尔含量为50%-55%；将生长好的晶体切片作为升华源；
（b）衬底预处理：采用掺硼的（111）P型硅作为衬底，将衬底用去离子水、丙酮和乙醇分别超声清洗5～15分钟，洗去表面的杂质与有机物，烘干后放入近空间升华反应室内；
（c）CdZnTe薄膜生长过程：开机械泵抽真空，将升华腔内气压抽至1Pa以下后关闭机械泵，通入氩气将气压调至80~300Pa，关闭气瓶；开卤素灯将升华源及衬底分别加热到550~650℃和400~550℃；生长120min~180min后，关闭卤素灯，开机械泵抽真空至气压为10Pa以下，关机械泵，待样品冷却至室温，取出样品；
（d）N型CdZnTe薄膜退火及腐蚀：在CdCl2和ZnCl2 气氛下退火30-60min，退火温度为400-500℃；再配制浓度为0.1~0.5%的溴甲醇溶液，将退过火的样品浸入溶液腐蚀30~120s，获得表面富碲的CdZnTe薄膜；
（e）CdZnTe薄膜探测器的电极制作：在上述CdZnTe薄膜上表面采用蒸镀或溅射方法制备100~300nm厚的金属电极；然后将样品在真空中130~250°C退火30~90分钟形成良好的欧姆接触，最终制得以P型硅为衬底的PN结CdZnTe薄膜紫外光探测器。
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