CN109524491B - 具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件、应用及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有ZnTe过渡层的GaN‑CdZnTe复合结构组件、应用及其制备方法，基于GaN/ZnTe基底生长CdZnTe薄膜并制备GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器，本发明提供的GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器制备方法包括衬底预处理、ZnTe过渡层的溅射过程、CdZnTe薄膜的生长过程、GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器的电极制作4个主要步骤。本发明方法能在GaN/ZnTe衬底上快速生长大面积、高质量CdZnTe薄膜，GaN/ZnTe衬底可以保证GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器在极端环境下的使用，所制得的复合结构对紫外光也有着较强的光响应。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体的晶体复合材料、其制备工艺及应用，特别是涉及一种CdZnTe薄膜器件、其制备工艺及应用，应用于无机非金属材料制造、光学功能器件技术领域。
背景技术
紫外光是指波长范围为10nm-400nm的电磁辐射，得名来自于它的光谱在可见光中紫光的外侧。大自然中的紫外光主要来自太阳光，当日光透过大气层时，波长比290nm短的紫外线会被大气层吸收，人工的紫外线光源多是气体的电弧放电。随着科学技术的发展，紫外探测技术在民用和军事领域中应用越来越广泛。在民用领域，紫外探测技术可以应用于诸如火焰探测、海上油监、生物医药分析、臭氧的监测、太阳照度监测、公共安全侦察等；在军事领域中，紫外探测技术则可以应用于导弹的预警制导和紫外通讯等方面。总之，紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后的新的军民两用的光电探测技术。
一直以来，高灵敏度的紫外探测大多采用的是对紫外光敏感的真空光电倍增管及相似的真空类型器件。但是，与固体型的探测器相比，真空类型器件有着体积大和工作电压太高的缺点；硅光电器件，作为固体探测器的代表，对可见光有响应，该特点在紫外探测中就会成为缺点，此时若要求只对紫外信号进行探测就会需要昂贵的前置滤光设施。伴随着宽禁带半导体材料研究的逐步深入，越来越多的人们开始考虑制备对可见光没有响应或响应较小的半导体紫外探测器。现在，许多国家研制出了多种结构的紫外探测器，如光导型、p-n结型、肖特基结型、p-i-n型、异质结型、MSM型等。由于实际应用的需求，我们需要量子效率高、面积大、分辨率高、动态范围宽、速度快、噪声低的紫外探测器。依据工作方式不同，可以将半导体探测器大致分为无结器件光电导探测器和结型器件光伏型探测器。光电导探测器是利用半导体的光电导效应而制作的光探测器，是在半导体薄膜上淀积两个欧姆接触而形成的。与别的光探测器相比较，光电导探测器的主要优点是内部增益较高，在同样的光照射条件下，比光伏探测器有着大得多的响应，内部增益一般大于100。光电导紫外光探测器具有结构和工艺较为简单及内部增益高等等优点，其缺点是响应速度慢，器件的暗电流和漏电流大。
CdZnTe单晶材料属于II-VI族化合物半导体，是由CdTe与ZnTe按一定比例组合而成的固熔体化合物。通过改变材料中Zn的比例，材料的晶格常数可以从CdTe的晶格常数到ZnTe的晶格常数连续变化，禁带宽度也会在1.45eV到2.28eV之间连续变化。作为一种宽禁带半导体，CdZnTe适用于紫外探测，且CdZnTe材料本身电阻率高，用作紫外探测时有着较小的暗电流和漏电流。而在衬底材料的选择时，传统的Si、GaAs等材料因禁带宽度过小而无法保证紫外探测器在高温、强辐射等极端条件下的正常使用，不能满足当前对紫外光探测的需要。
ZnTe是一种Ⅱ-Ⅵ族化合物，ZnTe有立方和六方两种晶型，前者从熔体中产出，后者从气相中析出。碲化锌也可以形成混合碲化物，它们都具有相同的四方晶型结构。ZnTe是一种p型宽禁带半导体，室温下禁带宽度为2.26eV，77K下禁带宽度为2.38eV。且ZnTe的晶格常数较GaN更接近CdZnTe，晶格失配度低，但至今尚未见到将ZnTe应用于光学探测器件的相关报道。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件、应用及其制备方法，在GaN基底上溅射ZnTe过渡层，使其能在GaN/ZnTe衬底上快速生长大面积、高质量的CdZnTe薄膜，GaN/ZnTe衬底能保证GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器在极端环境下的使用，所制得的复合结构对紫外光也有着较强的光响应。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件，首先在GaN基底上制备ZnTe过渡层，形成GaN-ZnTe复合衬底，然后在GaN-ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面上继续生长制备CdZnTe薄膜，得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基片结合的GaN-ZnTe-CdZnTe复合结构组件。
优选上述ZnTe过渡层的沉积厚度不超过200nm。
优选上述CdZnTe薄膜的厚度不超过20μm，所选用的GaN基底的厚度不超过500nm
一种本发明具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件的制备方法，其步骤如下：
a.衬底预处理：
将GaN基片分别用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗至少15分钟，洗去GaN基片表面的杂质和有机物，用氮气吹干后，放入磁控溅射反应室内，作为衬底备用；
b.ZnTe过渡层的溅射过程：
打开磁控溅射腔体，将经过所述步骤a预处理的GaN基底放入腔体；开启机械泵，待腔体真空度不高于5Pa时，开启前级阀，关闭预抽阀，开启分子泵与高阀；待腔体真空度达到10-3Pa，将衬底温度加热到不低于300℃；然后打开气体流量计与气阀，将腔体充氩气至0.4-0.6Pa，开启溅射开关，功率加至不低于40W，开始溅射，溅射时间至少为5min；待溅射完成后关闭溅射电源，然后依次关闭气阀、分子泵、高阀、前级阀、机械泵，待衬底冷却至室温后，得到沉积在GaN衬底上的ZnTe薄膜，然后取出GaN/ZnTe复合衬底；
c.CdZnTe薄膜的生长过程：
打开近空间升华腔体，将在所述步骤b中制备的GaN/ZnTe复合衬底放入腔体，开机械泵抽真空，将升华室内气压抽不高于5Pa，然后开卤素灯，将升华源和衬底以不高于50℃/min的升温速度分别加热到600℃和450℃；然后采用近空间升华法，在GaN/ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面上继续生长CdZnTe薄膜材料至少120mins后，再关闭卤素灯，待衬底上生长的CdZnTe薄膜材料冷却至室温后，关闭机械泵，取出负载CdZnTe薄膜材料的复合衬底，从而得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基片结合的GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件。
一种复合结构器件，在本发明GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件的CdZnTe薄膜表面上，结合厚度不大于100nm的金电极层，形成GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件，作为GaN/CdZnTe基紫外光探测器。
一种本发明复合结构器件的制备方法，其步骤如下：
采用蒸镀法，在GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件的CdZnTe薄膜表面上，制备厚度不大于100nm的金电极层，得到GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件；然后在N2氛围中，并在不低于450℃的退火温度条件下，将GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件进行退火处理至少30min，使GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件功能层连接界面形成欧姆接触，从而制得GaN/CdZnTe基紫外光探测器。
一种本发明复合结构器件的应用，将GaN/ZnTe基紫外光探测器能在紫外光波段实现光响应。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器能在紫外光波段实现光响应，并能保证GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构制成的紫外光探测器在极端环境下的使用，所制得的复合结构对紫外光也有着较强的光响应；
2.本发明本发明方法首先在GaN衬底上通过磁控溅射沉积ZnTe过渡层，并能在GaN/ZnTe衬底上快速生长大面积、高质量的CdZnTe薄膜；
3.本发明能实现了大尺寸CdZnTe薄膜成型和快速制备，提高了生产效率、节约了生产成本、有助于GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构器件在更多领域应用的推广。
附图说明
图1为本发明实施例一GaN/ZnTe复合结构材料的XRD图。
图2为本发明实施例一GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构材料和对比例GaN/CdZnTe复合结构材料的XRD图。
图3为本发明实施例一GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构材料表面的SEM图。
图4为本发明实施例一GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构材料的I-V曲线图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一
在本实施例中，一种具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件，首先在GaN基底上制备ZnTe过渡层，形成GaN-ZnTe复合衬底，然后在GaN-ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面上继续生长制备CdZnTe薄膜，得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基片结合的GaN-ZnTe-CdZnTe复合结构组件。ZnTe过渡层的沉积厚度为200nm。上述CdZnTe薄膜厚度为20μm，GaN基底厚度为500nm。
在本实施例中，本实施例具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件的制备方法，其步骤如下：
a.衬底预处理：
将厚度为500nm的GaN基片分别用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，洗去GaN基片表面的杂质和有机物，用氮气吹干后，放入磁控溅射反应室内，作为衬底备用；
b.ZnTe过渡层的溅射过程：
打开磁控溅射腔体，将经过所述步骤a预处理的GaN基底放入腔体；开启机械泵，待腔体真空度低于5Pa时，开启前级阀，关闭预抽阀，开启分子泵与高阀；待腔体真空度达到10-3Pa，将衬底温度加热到300℃；然后打开气体流量计与气阀，将腔体充氩气至0.4Pa，开启溅射开关，功率加至40W，开始溅射，溅射时间为5min；待溅射完成后关闭溅射电源，然后依次关闭气阀、分子泵、高阀、前级阀、机械泵，待衬底冷却至室温后，得到沉积在GaN衬底上的ZnTe薄膜，然后取出GaN/ZnTe复合衬底；ZnTe过渡层的沉积厚度为200nm；
c.CdZnTe薄膜的生长过程：
打开近空间升华腔体，将在所述步骤b中制备的GaN/ZnTe复合衬底放入腔体，开机械泵抽真空，将升华室内气压抽至5Pa，然后开卤素灯，将升华源和衬底以50℃/min的升温速度分别加热到600℃和450℃；然后采用近空间升华法，在GaN/ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面上继续生长CdZnTe薄膜材料120mins后，再关闭卤素灯，待衬底上生长的CdZnTe薄膜材料冷却至室温后，关闭机械泵，取出负载厚度为20μm的CdZnTe薄膜材料的复合衬底，从而得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基片结合的GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件。
在本实施例中，一种复合结构器件，在本实施例GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件的CdZnTe薄膜表面上，结合厚度为100nm的金电极层，形成GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件，作为GaN/CdZnTe基紫外光探测器。
在本实施例中，本实施例复合结构器件的制备方法，其步骤如下：
采用蒸镀法，在GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件的CdZnTe薄膜表面上，制备厚度为100nm的金电极层，得到GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件；然后在N2氛围中，并在不低于450℃的退火温度条件下，将GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件进行退火处理至少30min，使GaN/ZnTe/CdZnTe/Au复合结构器件功能层连接界面形成欧姆接触，从而制得GaN/CdZnTe基紫外光探测器。利用本实施例制备GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件，进行制备GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器的方法。实现了大尺寸CdZnTe薄膜成型和快速制备，提高了生产效率、节约了生产成本、有助于GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构器件在更多领域应用的推广。
在本实施例中，一种本实施例复合结构器件的应用，将GaN/ZnTe基紫外光探测器能在紫外光波段实现光响应。
本实施例制备制备的GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器，在紫外光波段实现光响应。能保证GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构制成的紫外光探测器在极端环境下的使用，所制得的复合结构对紫外光也有着较强的光响应。
对比例：
在本对比中，一种GaN-CdZnTe复合结构组件，首先在GaN基底上直接生长制备CdZnTe薄膜，得到CdZnTe薄膜和GaN基片结合的GaN-CdZnTe复合结构组件。上述CdZnTe薄膜厚度为20μm，GaN基底厚度为500nm。
结合实施例一和对比例，有关本实施例制备的GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器和对比例制备GaN/CdZnTe基紫外光探测器，采用实验仪器测试所得附图的解释说明如下：
图1为本实施例GaN/ZnTe复合结构的XRD图，(a)为退火前，(b)为退火后。退火后可以看出ZnTe的峰位情况，26°为ZnTe的(111)峰，28°为Si的(111)峰，35°为GaN的(0002)峰。
图2为本实施例GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构材料和对比例GaN/CdZnTe复合结构材料的的XRD图，可以看到对比例不添加过渡层的CdZnTe的峰位为23.641°，半高宽为0.172。溅射5min过渡层峰位为23.998°，半高宽为0.159。溅射10min过渡层峰位为24.300°，半高宽为0.177。
图3为本实施例GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构材料表面的SEM图。如图3所示CdZnTe薄膜在GaN/ZnTe衬底上生长良好，颗粒成型且较为致密，颗粒大小为5μm。
图4是本实施例GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构材料的I-V曲线图。图4中可以看出复合结构与金电极形成欧姆接触，接触良好，欧姆系数达到了1.020，且光暗电流比也比无过渡层的更良好，达到了7.22倍。
本实施例采用GaN作为基底，由于GaN衬底具有宽的直接带隙，禁带宽度可达到3.4eV，热导高、化学惰性高、热稳定性好而成为比较理想的衬底材料。但由于晶格失配度高的问题导致薄膜与衬底的粘附力不够，所以引入ZnTe作为过渡层改善这一问题。本实施例采用近空间升华法制备的GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构，在紫外光波段有着较为灵敏的光响应。本实施例GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器制备方法包括衬底预处理、ZnTe靶材的准备、ZnTe过渡层的溅射过程、CdZnTe薄膜的生长过程、GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器的电极制作五个主要步骤。本实施例方法不仅能在GaN/ZnTe衬底上快速生长大面积、高质量的CdZnTe薄膜，GaN/ZnTe衬底可以保证GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器在极端环境下的使用，还能制得的复合结构，对紫外光也有着较强的光响应。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，本发明具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件的制备方法，其步骤如下：
a.衬底预处理：
将厚度为500nm的GaN基片分别用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，洗去GaN基片表面的杂质和有机物，用氮气吹干后，放入磁控溅射反应室内，作为衬底备用；
b.ZnTe过渡层的溅射过程：
打开磁控溅射腔体，将经过所述步骤a预处理的GaN基底放入腔体；开启机械泵，待腔体真空度低于5Pa时，开启前级阀，关闭预抽阀，开启分子泵与高阀；待腔体真空度达到10-3Pa，将衬底温度加热到300℃；然后打开气体流量计与气阀，将腔体充氩气至0.6Pa，开启溅射开关，功率加至40W，开始溅射，溅射时间为5min；待溅射完成后关闭溅射电源，然后依次关闭气阀、分子泵、高阀、前级阀、机械泵，待衬底冷却至室温后，得到沉积在GaN衬底上的ZnTe薄膜，然后取出GaN/ZnTe复合衬底；ZnTe过渡层的沉积厚度为200nm；
c.CdZnTe薄膜的生长过程：
打开近空间升华腔体，将在所述步骤b中制备的GaN/ZnTe复合衬底放入腔体，开机械泵抽真空，将升华室内气压抽至5Pa，然后开卤素灯，将升华源和衬底以50℃/min的升温速度分别加热到600℃和450℃；然后采用近空间升华法，在GaN/ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面上继续生长CdZnTe薄膜材料120mins后，再关闭卤素灯，待衬底上生长的CdZnTe薄膜材料冷却至室温后，关闭机械泵，取出负载厚度为20μm的CdZnTe薄膜材料的复合衬底，从而得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基片结合的GaN/ZnTe/CdZnTe复合结构组件。
综上所述，本发明上述实施例提供了一种CdZnTe薄膜和GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器制备方法，基于GaN/ZnTe基底生长CdZnTe薄膜并制备GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器，本发明上述实施例提供的GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器制备方法包括衬底预处理、ZnTe过渡层的溅射过程、CdZnTe薄膜的生长过程、GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器的电极制作4个主要步骤。本发明上述实施例方法可以在GaN/ZnTe衬底上快速生长大面积、高质量的CdZnTe薄膜，GaN/ZnTe衬底可以保证GaN/ZnTe/CdZnTe基紫外光探测器在极端环境下的使用，所制得的复合结构对紫外光也有着较强的光响应。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件、应用及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件，其特征在于：首先在GaN基底上制备ZnTe过渡层，形成GaN-ZnTe复合衬底，然后在GaN-ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面继续生长制备CdZnTe薄膜，得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基底结合的GaN-ZnTe-CdZnTe复合结构组件；
所述ZnTe过渡层的沉积厚度不超过200nm；
所述CdZnTe薄膜的厚度不超过20μm，所选用的GaN基底的厚度不超过500nm。
2.一种权利要求1所述具有ZnTe过渡层的GaN-CdZnTe复合结构组件的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
a. 基底预处理：
将GaN基底分别用丙酮、酒精、去离子水超声清洗至少15分钟，洗去GaN基底表面的杂质和有机物，用氮气吹干后，放入磁控溅射反应室内，作为衬底备用；
b.ZnTe过渡层的溅射过程：
打开磁控溅射腔体，将经过步骤a预处理的GaN基底放入溅射腔体；开启机械泵，待溅射腔体真空度不高于5Pa时，开启前级阀，关闭预抽阀，开启分子泵与高阀；待溅射腔体真空度达到10-3Pa，将GaN基底温度加热到不低于300℃；然后打开气体流量计与气阀，将溅射腔体充氩气至0.4-0.6Pa，开启溅射开关，功率加至不低于40W，开始溅射，溅射时间至少为5分钟；待溅射完成后关闭溅射电源，然后依次关闭气阀、分子泵、高阀、前级阀、机械泵，待GaN基底冷却至室温后，得到沉积ZnTe薄膜的GaN-ZnTe复合衬底，然后取出GaN-ZnTe复合衬底；
c.CdZnTe薄膜的生长过程：
打开近空间升华腔体，将在步骤b中制备的GaN-ZnTe复合衬底放入升华腔体，开机械泵抽真空，将升华室腔体气压抽不高于5Pa，然后开卤素灯，将升华源和GaN-ZnTe复合衬底以不高于50℃/min的升温速度分别加热到600℃和450℃；然后采用近空间升华法，在GaN-ZnTe复合衬底的ZnTe过渡层表面上继续生长CdZnTe薄膜材料至少120分钟后，再关闭卤素灯，待衬底上生长的CdZnTe薄膜材料冷却至室温后，关闭机械泵，取出负载CdZnTe薄膜材料的GaN-ZnTe复合衬底，从而得到具有ZnTe过渡层的CdZnTe薄膜和GaN基底结合的GaN-ZnTe-CdZnTe复合结构组件。
3.一种复合结构器件，其特征在于：在权利要求1所述的GaN-ZnTe-CdZnTe复合结构组件的CdZnTe薄膜表面上，结合厚度不大于100nm的金电极层，形成GaN-ZnTe-CdZnTe-Au复合结构器件，作为GaN-CdZnTe基紫外光探测器。
4.一种权利要求3所述复合结构器件的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
采用蒸镀法，在GaN-ZnTe-CdZnTe复合结构组件的CdZnTe薄膜表面上，制备厚度不大于100nm的金电极层，得到GaN-ZnTe-CdZnTe-Au复合结构器件；然后在N2氛围中，并在不低于450℃的退火温度条件下，将GaN-ZnTe-CdZnTe-Au复合结构器件进行退火处理至少30分钟，使GaN-ZnTe-CdZnTe-Au复合结构器件功能层连接界面形成欧姆接触，从而制得GaN-CdZnTe基紫外光探测器。
5.一种权利要求3所述复合结构器件的应用，其特征在于，将所述GaN-ZnTe基紫外光探测器能在紫外光波段实现光响应。
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