用磁控濺射法制備的CdS薄膜的光電特性*

孫 萍，王 業(yè)，秦 明

(1．江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214153;2．東南大學(xué)MEMS教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210096)

硫化鎘是直接帶隙寬禁帶的Ⅵ－Ⅱ族化合物半導(dǎo)體，禁帶寬度為2．42 eV，由于其具有獨(dú)特的光電性能，使其為一種優(yōu)良的窗口材料[1－2]，同時(shí)可以用于制備多種光電器件，如太陽(yáng)能電池，圖像傳感器，儲(chǔ)存器等，在電子、紡織、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療和生物技術(shù)、國(guó)防及工業(yè)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)利用硫化鎘薄膜可以制作位置敏感檢測(cè)器PSD[3]，目前國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)類似報(bào)道，我們將在后續(xù)工作中開(kāi)展將CdS用于PSD的研究。

CdS薄膜的制備方法很多，如真空蒸發(fā)[4]，噴涂熱解法[5]、CBD 法(Chemical Bath Deposition)[6]、濺射法[7]、分子束外延法、電子束蒸發(fā)法[8]等。由于磁控濺射法成膜速率快，材料利用率高，工藝簡(jiǎn)單且可重復(fù)性高，成為目前干法工藝的首選，但目前國(guó)內(nèi)很少見(jiàn)到相關(guān)報(bào)道，尤其未見(jiàn)退火等工藝條件對(duì)CdS薄膜性能影響的研究報(bào)道[9]。

本文主要研究了磁控濺射法制備CdS膜工藝及其光電特性，通過(guò)掃描電鏡測(cè)厚計(jì)算了濺射速率，通過(guò)不同溫度下的退火試驗(yàn)，分析了退火溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)性能、光電性能的影響。

1 磁控濺射CdS薄膜

本文實(shí)驗(yàn)所采用的是磁控濺射的方法，所用的基底是已經(jīng)氧化過(guò)的硅片，CdS薄膜是淀積在SiO2之上的，濺射CdS所用的儀器為JS2S－100C型多陰極磁控濺射機(jī);所用工藝為:

濺射時(shí)間:80 min;

射頻功率源:Ia=0．21A，Ua=168 V，即功率為35．28 W;

射頻匹配器自偏壓:220 V;

氣流量:82 sccm

濺射樣品退火一般在高純氮?dú)饣蛘邭鍤庀逻M(jìn)行，也可以在大氣環(huán)境或者真空環(huán)境下進(jìn)行。本文的實(shí)驗(yàn)選用在退火環(huán)境為氮?dú)鈿夥障峦瓿桑瑫r(shí)間為50 min，溫度采用四個(gè)不同的對(duì)照組，分別為200℃、300℃、400℃和500℃，升溫速率均為10℃/min。待冷卻后，取出樣片供后續(xù)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

濺射完成后取出樣片(退火前)，發(fā)現(xiàn)CdS薄膜樣片表面呈淡黃色。

2．1 薄膜濺射速率的檢測(cè)

用掃描電鏡拍攝CdS樣品的截面。如圖1所示，通過(guò)掃描電鏡直接讀取膜厚，根據(jù)工藝條件即濺射的時(shí)間，可計(jì)算出濺射速率。圖中顯示本次工藝獲得的CdS的膜厚約為10 μm(圖1)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，CdS薄膜磁控濺射的時(shí)間為80 min，由此可知CdS薄膜的磁控濺射速率為7．5 μm/h。

圖1 CdS薄膜截面的SEM圖

2．2 不同退火溫度對(duì)薄膜表面結(jié)構(gòu)的影響

退火處理對(duì)CdS薄膜成膜質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用，退火不僅影響CdS顆粒的大小、均勻性、致密度等，還有助于增強(qiáng)CdS薄膜與襯底材料的粘附性。所以對(duì)CdS薄膜樣品進(jìn)行退火處理將有助于增加CdS的成膜質(zhì)量。通過(guò)優(yōu)化退火條件可以優(yōu)化CdS薄膜的性能。

圖2(a)～圖2(e)依次分別為沒(méi)有進(jìn)行退火的樣品、200℃退火處理的樣品、300℃退火處理的樣品、400℃退火處理的樣品、500℃退火處理的樣品的SEM表面形貌圖。在進(jìn)行電鏡掃描前，CdS薄膜樣品要先進(jìn)行鍍膜處理(因?yàn)镃dS薄膜的低導(dǎo)電性)，通過(guò)在樣品表面噴金形成一層導(dǎo)電膜，這層導(dǎo)電膜可以避免電荷積累對(duì)圖像質(zhì)量的影響并可以防止樣品的熱損傷。

圖2 退火溫度對(duì)CdS表面結(jié)構(gòu)的影響

通過(guò)不同退火溫度下的SEM圖發(fā)現(xiàn)，與沒(méi)有進(jìn)行退火處理的CdS薄膜相比，在200℃的退火溫度下，薄膜顆粒尺寸變小了。分析原因可能是在未退火時(shí)，大量的等離子體在襯底表面結(jié)晶，而低溫下粒子的遷移率較低，所以形成較大的顆粒，而退火后導(dǎo)致薄膜內(nèi)部應(yīng)力緩解，促使顆粒重新結(jié)晶，尺寸有所減小。雖然尺寸減小了，但顆粒分布更加均勻，表面的平整度更好。在300℃和400℃的退火溫度下，顆粒尺寸又有所增大，說(shuō)明，隨著退火溫度的升高，更多的顆粒又聚集在一起，結(jié)晶成較大的顆粒[10]。在500℃的退火溫度下，CdS顆粒之間有細(xì)小的CdS顆粒生長(zhǎng)出來(lái)，薄膜結(jié)構(gòu)更加致密，說(shuō)明硫化鎘顆粒在退火時(shí)發(fā)生出再次生長(zhǎng)[11]。

綜上所述，通過(guò)退火，促進(jìn)了CdS薄膜表面重構(gòu)，CdS薄膜顆粒變得更加均勻，從而提高了薄膜的致密性，平整度，減少了缺陷態(tài)，改善了薄膜的性能。

2．3 不同退火溫度對(duì)CdS膜光電性能的影響

在無(wú)退火和退火溫度分別為200℃、300℃、400℃和500℃的情況下，配以無(wú)光背景、背景光、激光照射三種光照條件，利用agilent4156c半導(dǎo)體器件分析儀以及Karl suss探針臺(tái)對(duì)CdS進(jìn)行I－V測(cè)試，從而研究薄膜在不同退火溫度下的光電性能。實(shí)驗(yàn)中所用的光源為532 nm±10 nm的激光筆，此波段在綠光的范圍內(nèi)，最大的輸出功率為100 mW，輸出光點(diǎn)直徑約為2 mm。測(cè)試中兩探針間距為1 mm，測(cè)試方法是在一定的背景條件下，通過(guò)在兩探針間施加一定的掃描電壓值，測(cè)量出兩探針間的電流大小。所施加的電壓從0 V開(kāi)始以10 mV為單位掃描至最大設(shè)定值，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有進(jìn)行退火的CdS所設(shè)定的是3 V，進(jìn)行退火處理的均設(shè)定為1 V。

圖3 不同退火溫度及光照對(duì)CdS樣品光電導(dǎo)的影響

圖3是CdS薄膜樣品在不同光照環(huán)境下的I－V曲線圖，圖3(a)為沒(méi)有經(jīng)過(guò)退火處理的CdS樣品在不同光照環(huán)境下的 I－V 曲線圖，圖3(b)、3(c)、3(d)、3(e)為退火溫度依次分別為200℃、300℃、400℃和500℃的CdS樣品在不同光照環(huán)境下的I－V曲線圖。光照環(huán)境均分為無(wú)光背景、背景光、激光照射3種背景，在圖中分別以不同標(biāo)志區(qū)別開(kāi)來(lái)。

從圖3的不同退火溫度下處理后CdS的I－V曲線中選擇特定點(diǎn)的電流電壓值來(lái)計(jì)算光電導(dǎo)的變化情況。

(1)沒(méi)有進(jìn)行退火處理CdS樣品的光電導(dǎo)

取電壓Vg=3 V，則電流大小Ig從小到大依次為1．03×10－9A，5．26×10－9A，3．4×10－8A。則光生電流/暗電流比值為33．0，光生電流/背景光電流比值為6．5，背景光電流/暗電流比值為5．1。

(2)200℃退火溫度處理的CdS樣品的光電導(dǎo)

取電壓Vg=1 V，則電流大小Ig從小到大依次為4．50×10－11A，1．84×10－10A，1．14×10－8A。則光生電流/暗電流比值為253．3，光生電流/背景光電流比值為62．0，背景光電流/暗電流比值為4．1。

(3)300℃退火溫度處理的CdS樣品的光電導(dǎo)

取電壓Vg=1 V，則電流大小Ig從小到大依次為1．36×10－11A，2．10×10－10A，1．48×10－8A。則光生電流/暗電流的比值為1 088．2，光生電流/背景光電流的比值為70．5，背景光電流/暗電流的比值為15．4。

(4)400℃退火溫度處理的CdS樣品的光電導(dǎo)

取電壓Vg=1 V，則電流大小Ig從小到大依次為1．78×10－11A，1．62×10－10A，3．80×10－8A。則光生電流/暗電流的比值為2 134．8，光生電流/背景光電流的比值為234．6，背景光電流/暗電流的比值為9．1。

(5)500℃退火溫度處理的CdS樣品的光電導(dǎo)

取電壓Vg=1 V，則電流大小Ig依次從小到大為1．59×10－11A，6．22×10－10A，1．96×10－8A。則光生電流/暗電流的比值為1 232．7，光生電流/背景光電流的比值為31．5，背景光電流/暗電流的比值為39．1。

表1為不同退火溫度下(包括沒(méi)有退火處理的情況)CdS薄膜的光電性能對(duì)照。表中數(shù)據(jù)表明，在400℃退火溫度之前(包括400℃)，光生電流/背景光電流的比值有著明顯上升的趨勢(shì)，從最低的33．0倍到最高的2134．8倍，說(shuō)明高溫退火處理后CdS薄膜的光電導(dǎo)特性得到明顯改善。同樣在400℃退火溫度之前(包括400℃)，光生電流/背景光電流的比值也是有著明顯的上升趨勢(shì)。因?yàn)榭紤]到作為一個(gè)光點(diǎn)位置傳感器，其周圍的工作環(huán)境中往往會(huì)存在不同來(lái)源的背景光的干擾，而以上的計(jì)算表明，即使考慮到背景光的干擾，CdS薄膜的光電導(dǎo)特性也是在退火后有著明顯的提高，并且在400℃的時(shí)候達(dá)到最佳的效果。除此之外，還可以看出，400℃之前(包括400℃)，隨著退火溫度的上升，光生電流的大小也是隨著退火溫度的上升而增加的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示，當(dāng)CdS的退火溫度上升到500℃的時(shí)候，光生電流/暗電流的比值下降，光生電流/背景光電流的比值也出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。這說(shuō)明在500℃的退火處理下，CdS的光電導(dǎo)特性反而發(fā)生了惡化的現(xiàn)象。400℃可作為最佳的退火溫度，這與之前的多數(shù)報(bào)道一致。

表1 不同退火溫度下CdS薄膜的光電導(dǎo)性能

3 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)采用磁控濺射法制備CdS薄膜，濺射速率為7．5 μm/h，CdS薄膜的表面呈淡黃色。對(duì)CdS薄膜樣品在200℃、300℃、400℃和500℃下分別進(jìn)行50 min的退火處理。通過(guò)SEM觀察CdS薄膜樣片表面顯示，經(jīng)過(guò)200℃以上退火處理后的CdS薄膜內(nèi)的顆粒更大更均勻，薄膜表面更加致密和平整。通過(guò)對(duì)不同退火溫度下以及沒(méi)有進(jìn)行退火處理的CdS薄膜樣片在不同光照背景下I－V曲線的測(cè)試顯示，退火處理后CdS薄膜的光電導(dǎo)特性更為優(yōu)異，并且在400℃下效果最好。

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