磁控溅射CdSe薄膜的光学和电学性质.pdf
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1、第4 9卷 第3期2 0 2 3年9月延 边 大 学 学 报(自然科学版)J o u r n a l o f Y a n b i a n U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 9 N o.3S e p.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 3 0 5 1 2基金项目:国家自然科学基金(5 1 2 7 2 2 2 4);吉林省自然科学基金(2 0 2 1 0 1 0 1 1 6 3 J C)第一作者:崔熙林(2 0 0 0),男,硕士研究生,研究方向为功能材料物理.通信作者:顾广瑞(1 9 7 0
2、),男,博士,教授,研究方向为功能材料物理.文章编号:1 0 0 4-4 3 5 3(2 0 2 3)0 3-0 2 1 2-0 6磁控溅射C d S e薄膜的光学和电学性质崔熙林,金健,顾广瑞(延边大学 理学院,吉林 延吉 1 3 3 0 0 2)摘要:利用射频磁控溅射方法在玻璃和S i(1 1 1)衬底上沉积了C d S e薄膜,并研究了不同溅射压强对薄膜的结构、光学和电学性能的影响.X射线衍射分析表明,所有样品均沿(1 1 1)面择优生长,晶粒尺寸随溅射压强的增大而减小.透射光谱分析表明,C d S e薄膜在红外光区域具有较大的透射率,薄膜的带隙随溅射压强的增大表现出先增大后减小的趋势.
3、霍尔效应测试表明,随着溅射压强的增加,电阻率出现先增大后减小的趋势,载流子浓度则出现先减小后增大的趋势.该研究结果可为C d S e薄膜在光电器件方面的应用提供参考.关键词:C d S e薄膜;磁控溅射;溅射压强;光学性质;电学性质中图分类号:O 4 8 4.4 文献标志码:AO p t i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f C d S e t h i n f i l m s p r e p a r e d b y m a g n e t r o n s p u t t e r i n gC U I X i l i
4、n,J I N J i a n,GU G u a n g r u i(C o l l e g e o f S i c e n c e,Y a n b i a n U n i v e r s i t y,Y a n j i 1 3 3 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h e c a d m i u m t e l l u r i d e(C d S e)t h i n f i l m s w e r e d e p o s i t e d o n g l a s s a n d S i(1 1 1)s u b t r a t e s b y r a d i o
5、 f r e q u e n c y(R F)m a g n e t r o n s p u t t e r i n g,a n d t h e i n f l u e n c e s o f s p u t t e r i n g p o w e r o n t h e s t r u c t u r a l,o p t i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f t h e f i l m s w e r e i n v e s t i g a t e d i n t h i s p a p e r.T h e X-r
6、 a y d i f f r a c t i o n p a t t e r n s r e v e a l t h a t t h i n f i l m s e x h i b i t a p r e f e r r e d o r i e n t a t i o n a l o n g t h e(1 1 1)p l a n e,T h e g r a i n s i z e d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f s p u t-t e r i n g p r e s s u r e.T r a n s m i s s i
7、 o n s p e c t r u m a n a l y s i s s h o w s t h a t t h e t h i n C d S e f i l m s h a v e a l a r g e t r a n s m i s s i o n i n t h e i n f r a r e d r e g i o n,a n d t h e b a n d g a p o f C d S e f i l m s i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n d e c r e a s e s w i t h t h e i n c r e
8、 a s e o f s p u t t e r i n g p r e s s u r e.T h e H a l l e f f e c t t e s t s h o w s t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f s p u t t e r i n g p r e s s u r e,t h e r e s i s t i v i t y i n c r e a s e s f i r s t a n d t h e n d e c r e a s e s,w h i l e t h e c a r r i e r c o n c e n t
9、 r a t i o n d e c r e a s e s f i r s t a n d t h e n i n c r e a s e s.T h e r e s u l t s o f t h i s s t u d y c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e a p p l i c a t i o n o f C d S e t h i n f i l m s i n p h o t o e l e c t r i c d e v i c e s.K e y w o r d s:C d S e t h i n f i l m
10、;m a g n e t r o n s p u t t e r i n g;s p u t t e r i n g p o w e r;o p t i c a l p r o p e r t i e s;e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s0 引言硒化镉(C d S e)是一种-族半导体化合物.由于C d S e具有约1.7 4e V的直接带隙和较高的光吸收率和导电性,因此其在光电器件中具有良好的潜在应用价值1-3.近年来,一些学者对C d S e薄膜的特性进行了研究.例如:Z h e n g等研究了在不同衬底温度下沉积的C d S e薄膜的结构、光
11、学和形态特性4;G a r o l r等5和S a n t h o s h等6研究了掺杂B i的C d S e薄膜的特性.目前,制备C d S e薄膜的方法主要有密闭空间升华法(C S S)7、脉 第3期崔熙林,等:磁控溅射C d S e薄膜的光学和电学性质冲激光沉积法(P L D)8、真空蒸发法9、射频磁控溅射法1 0、喷雾热解法1 1等,其中射频磁控溅射法因具有镀膜均匀、沉积速率快等优点而被学者们广泛应用1 2.研究表明,在应用射频磁控溅射法时,其溅射功率、溅射压强、氩气流量、衬底温度等参数会对薄膜的性质产生较大的影响1 3-1 6,其中溅射压强可直接影响等离子体的浓度以及溅射原子到达衬底
12、时的能量,进而可对薄膜的性质产生影响.基于上述研究,本文在不同的溅射压强下采用磁控溅射法制备了C d S e薄膜,并研究了不同溅射压强对C d S e薄膜的光学性能和电学性能的影响.1 实验方法和仪器利用射频磁控溅射法分别在玻璃和S i(1 1 1)衬底上制备C d S e薄膜,其中衬底尺寸为1c m1 c m,靶材为高纯度C d S e靶(9 9.9%).为了去除衬底表面的污染物,在制备之前先将衬底依次浸入丙酮、无水乙醇、去离子水中超声波清洗1 5m i n,然后取出放在无尘纸上,并用氮气吹干表面.实验背景真空度低于5.01 0-4P a,工作气体为氩气.为了去除靶材表面的杂质及其氧化物,制
13、备前先对靶材预溅射1 5m i n.预溅射结束后,调整实验所需参数并开始实验.实验具体参数见表1.表1 制备C d S e薄膜的实验参数沉积参数数值 溅射功率/W1 0 0 溅射压强/P a0.82.8 沉积时间/m i n3 0 衬底温度/K3 0 0 氩气流速/s c c m2 0利用X射线衍射仪(X R D,型号为岛津5 0 0 0)表征薄膜的结构特性,利用场发射扫描电子显微镜(F E S EM,型号为F E I Q u a n t a F E G 2 5 0)表征薄膜的表面形貌,利用扫描电子显微镜附带的能量色散X射线光谱仪(E D A X)定性和定量地分析薄膜的元素组成,利用紫外 可见
14、 近红外分光光度计(UV-V I S-N I R,型号为岛津UV-3 6 0 0)测量薄膜的光学性质,利用霍尔效应测试系统(L a k e S h o r e HM S M a t r i x 7 5 5)分析薄膜的电学性能.2 结果与讨论图1为在不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的X R D图 谱.由 图1可 以 看 出:C d S e薄 膜 在2 5.4 附近出现了(1 1 1)的衍射峰.对照J C P D S卡片中的#8 8-2 3 4 6发现,所有样品的结构均为立方晶体结构,且所有样品沿(1 1 1)面择优生长.当溅射压强从0.8P a增加到2.8P a时,(1 1 1)衍射峰的强
15、度逐渐减小,这表明薄膜的结晶性能随溅射压强的增大而减小.其原因可能是:在溅射压强较低时,A r+离子轰击靶材的能量较高,因此被溅射出的C d2+离子和S e2-离子的能量也较高,进而促进了C d S e薄膜的生长;而当溅射压强较高时,A r+离子轰击靶材的能量减弱,因此被溅射出的C d2+离子和S e2-离子的能量也随之降低,进而降低了C d S e薄膜的结晶质量1 7.图1 C d S e薄膜的X R D图谱为进一步探究C d S e薄膜的性能,本文利用D e b y e S c h e r r e r公式(D=K/(c o s)1 8估算了晶粒尺寸的变化.公式中D为晶粒尺寸,为半峰全宽(F
16、WHM),K为S c h e r r e r常数(取0.8 9),为衍射角,为X射线波长(取0.1 5 4 0 5 6n m).利用D e b y e S c h e r r e r公式计算得到的C d S e薄膜(在(1 1 1)平面上)的晶粒尺寸见表2.根据图1中的X R D数据计算得到的C d S e薄膜的晶格应变()和位错密度()见表2.由表2可以看出,晶格应变和位错密度随溅射压强的增大而增大.其原因可能是:当腔室内的气体流量不变时,溅射压强越高,粒子的平均自由程越小,进而使得粒子之间的碰撞概率增大(粒子碰撞后其能量下降),由此导致薄膜的结晶质量出现下降1 9.312延边大学学报(自然
17、科学版)第4 9卷 表2 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的结构参数参数溅射压强/P a0.81.22.02.42.82/()2 5.4 72 5.4 72 5.4 72 5.5 22 5.4 9FWHM/()0.1 3 00.1 3 20.1 3 40.1 4 50.1 7 5D/n m6 1.9 56 1.0 26 0.1 05 5.5 54 6.0 31 0-32.5 12.5 52.5 92.7 93.3 8/m-22.51 01 42.61 01 42.71 01 43.21 01 44.61 01 4根据表2中的数据绘制的C d S e薄膜的晶粒尺寸和晶粒的FWHM如图2所示
18、.由图2可以看出,C d S e薄膜的平均晶粒尺寸随溅射压强的增大而减小,这表明薄膜的结晶性能随溅射压强的增大而减小.图3为不同溅射压强下制备的C d S e薄膜表面的F E S EM图.由图3可以看出,薄膜表面光滑,晶粒致密,即薄膜的性能良好.同时,薄膜的晶粒尺寸随溅射压强的增加而减小(该结果与X R D的结果一致).图4为在不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的E D A X光谱.由图4可以看出,除了衬底中的S i元素外,薄膜中只有C d和S e元素.这表明本文制备的C d S e薄膜是纯净的C d S e薄膜.图2 C d S e薄膜的晶粒尺寸和晶粒的F WHM随不同溅射压强的变化(a
19、)0.8P a (b)1.2P a (c)2.0P a (d)2.4P a (e)2.8P a 图3 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的F E S EM图(a)0.8P a (b)1.2P a (c)2.0P a(d)2.4P a (e)2.8P a图4 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的E D A X能谱412 第3期崔熙林,等:磁控溅射C d S e薄膜的光学和电学性质 图5为在不同溅射压强下制备的C d S e薄膜在4 0 01 7 0 0n m波长范围内的透射光谱.由图5可以看出:图中干涉条纹明显,表明薄膜的厚度均匀、结晶度良好2 0;薄膜在近红外光区域内的平均透射率约为7
20、 3%,但在可见光范围内几乎不透光;随着压强的增大,薄膜的吸收边出现蓝移(移动朝向较小的波长方向).图5 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的透射光谱为进一步研究C d S e薄膜的光学带隙,本文利用T a u e关系(h=A(h-Eg)n)估算了薄膜的光学带隙.公式中为吸收系数(=l n1/T d,d为薄膜厚度,T为透射率),h为光子能量,n为与跃迁类型有关指数(因C d S e为直接跃迁半导体,n取1/2)2 1.(h)2与光子能量的关系如图6所示.由图6得到的带隙值见表3.由表3可以看出,随着溅射压强的增大,带隙值从1.7 2 0e V增大到1.7 8 3 e V,然后又从1.7 8
21、 3e V降低到1.7 7 1e V.该结果与文献2 2 的结果一致,即薄膜随着溅射压强的增大,其导电性能出现了先减弱后增强的变化.由图6可以看出,随着溅射压强的增大,薄膜的带隙值逐渐大于材料的标准带隙值,并出现了蓝移(C d S e=1.7 4e V).出现蓝移的原因可能是:量子尺寸效应增加了导带和价带的离散状态,使得能隙变宽,进而增加了C d S e的有效带隙2 3.图6 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的(h)2与光子能量的关系为研究不同溅射压强对C d S e薄膜电学性能的影响,对不同溅射压强下制备的C d S e薄膜进行了霍尔效应测试,结果见表4.由表4中的数值绘制的C d S
22、 e薄膜的电阻率、载流子浓度随溅射压强的变化如图7所示.由图7可以看出,薄膜的电阻率出现了先增大后减小的趋势,而载流子浓度出现了先减小后增大的趋势.其原因可能与薄膜晶粒的不断生长和薄膜质量的不断提高有关.该结果与上述分析C d S e的带隙所得的结果一致.由图7还可以看出,在0.8P a溅射压强下制备的薄膜的电阻率最低(0.2 1 7 7 9c m).这表明溅射压强为0.8P a时,制备的薄膜的导电性能最佳.该结果可能与此时的薄膜结晶质量得到提高有关2 4.表3 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜在近红外区的平均透射率和光学带隙值参数溅射压强/P a0.81.22.02.42.8近红外区的
23、平均透射率/%6 7.4 06 9.8 56 8.5 57 3.7 97 0.7 4光学带隙/e V1.7 2 01.7 2 81.7 5 21.7 8 31.7 7 1表4 不同溅射压强下制备的C d S e薄膜的电阻率和载流子浓度参数溅射压强/P a0.81.22.02.42.8电阻率/(c m)0.2 1 7 7 90.2 3 6 7 50.5 4 8 5 40.5 6 1 1 50.4 1 3 8 4载流子浓度/c m-34.4 01 01 54.2 71 01 53.4 21 01 53.0 01 01 53.4 61 01 5512延边大学学报(自然科学版)第4 9卷 图7 C d
24、 S e薄膜的电阻率和载流子浓度随不同溅射压强的变化3 结论本文在不同的溅射压强下采用射频磁控溅射法制备了C d S e薄膜,利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱仪、紫外可见 近红外分光光度计和霍尔效应测试仪对薄膜的结构、原子组成、微观结构、光电学特性进行研究发现:薄膜样品的优先取向为(1 1 1)方向;薄膜样品的晶粒尺寸随溅射压强的增大而减小;薄膜样品在近红外区的平均透射率约为7 3%;当溅射压强由0.8P a增加到2.8P a时,薄膜的带隙区间为1.7 2 01.7 7 1e V,电阻率区间为0.2 1 7 7 90.5 6 1 1 5c m,载流子浓度区间为4.4
25、01 01 53.0 01 01 5c m-3.以上结果表明,溅射压强对薄膜的结构以及光电性质具有较大影响.本文研究结果可为C d S e薄膜在光伏中的应用提供参考.在今后的研究中,我们将进一步研究不同元素掺杂对C d S e薄膜性质的影响.参考文献:1 L I C X,WANG F G,CHE N Y L,e t a l.C h a r a c t e r-i z a t i o n o f s p u t t e r e d C d S e t h i n f i l m s a s t h e w i n d o w l a y e r f o r C d T e s o l a r c
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