金属诱导探测器用CdZnTe多晶薄膜的制备及物理特性研究

本项目提出MIC技术与磁控溅射法相结合的制备CZT多晶薄膜的新工艺。以物理气相沉积和金属诱导结晶理论为基础，采用磁控溅射法在玻璃上制备CZT先驱薄膜/诱导金属的层叠结构，通过低温退火实现金属诱导结晶化过程实现探测器级CZT薄膜制备。结合CZT多晶薄膜的能带结构、电学性能（导电类型、电阻率及载流子的输运特性）及光学性能研究，探索CZT薄膜材料与表面介面有关的物理效应，优化探测器用CZT多晶薄膜的制备工艺。与其他CZT薄膜制备方法相比，结合了MIC技术的磁控溅射法的工艺相对简单，制备的CZT多晶薄膜晶粒大，提高了光生载流子迁移率，为制备CZT多晶薄膜所面临的问题提出了新的解决途径。磁控溅射法与MIC方法相结合制备CZT薄膜材料不仅是具有重要学术意义和广泛应用前景的一种新型制膜技术，而且是探索新材料和新器件与进行相关基础研究的一个平台。

CdZnTe薄膜是一种新兴的性能优异的薄膜材料。因其原子序数较大、电阻率高、电子迁移率－寿命积较大、量子效率高及禁带宽度较大等特点，可以广泛用于天文、医学和太阳能等诸多领域。本项目采用铝诱导技术与磁控溅射法相结合制备CdZnTe多晶薄膜，提高了薄膜的结晶质量，为制备CdZnTe多晶薄膜所面临的技术问题提出了新的解决途径。利用SEM、AFM、XPS及I-V等手段，研究溅射时的氩气流量、工作压强、溅射功率、溅射时间、衬底温度及铝诱导过程对薄膜性质的影响。确定CdZnTe先驱薄膜的制备工艺参数为：80W射频磁控溅射1h，氩气压强1.5Pa，衬底温度200℃，靶间距6.5cm，不进行退火；确定铝诱导制备CdZnTe薄膜的工艺参数；铝膜溅射功率为100 W，溅射时间5min，200℃退火1 h。在铝膜溅射及退火过程中， Al原子及CdZnTe先驱膜中ZnTe、Te相遇反应生成了碲化物，先驱膜CdZnTe重结晶，晶粒长大，薄膜结晶质量提高。CdZnTe薄膜在空气中会发生氧化，氧化层厚度约为200 nm。基于铝诱导结晶化的方法，研究了不同溅射材料结构对多晶CdZnTe薄膜形成过程和材料特性的影响。研究发现，CdZnTe/Al/ITO层叠结构反应生成的ZnAl2Te4较少，铝诱导晶化效果没有Al / CdZnTe /ITO层叠结构铝诱导效果显著。对铝诱导制备CdZnTe薄膜电学性能研究，发现铝诱导能够有效补偿Cd空位,相当于对CdZnTe薄膜进行Al掺杂。掺杂Al取代了CdZnTe中Cd原子的位置，作为施主发生电离，生成了一个施主离子AlTe+和一个电子。两个AlTe+能够和一个[VCd]2-结合，形成一个中性复合中心，使得薄膜中的载流子浓度降低。利用第一性原理对不同成分CdZnTe薄膜的电子结构及光学性质进行了研究，结果表明， Zn的含量对于价带的变化范围的影响相对较小，但是对于导带的影响很大随着Zn含量的逐渐增大，CdZnTe的折射率也在逐渐增大,CdZnTe的Raman特征峰向高波数波段移动。