真空蒸发制备CdSexTe1-x薄膜及其性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)内蒙古大学物理科学与技术学院 作者:刘永生

  按不同比例混合CdTe和CdSe两种化合物,利用真空蒸发法在玻璃衬底上制备了CdSexTe1-x三元化合物薄膜,分别利用XRD、SEM、EDX、XPS、紫外-可见分光光度计对薄膜的物相结构、表面形貌、元素组成以及光学性能进行了测试,分析了x值和热处理对薄膜的影响。测结果表明,薄膜均为立方闪锌矿结构的CdSexTe1-x三元化合物,沿(111)晶面择优生长,晶格常数与x呈线性递减关系;随x值增加薄膜的光学带隙逐渐减小,x=0.57时减小到最小值1.41eV,然后又增大;升高热处理温度,可以改善薄膜的结晶程度,增加对光的吸收范围,减小光学带隙。

  II-VI族化合物半导体以优异的光电性能,在红外探测器、核辐射探测器、红外激光窗口、光电化学电池及光伏电池中得到广泛的应用,是国内外研究较多的太阳能光电转换材料。其中CdS、CdSe、CdTe和(Cd,Zn)S等镉化合物均为直接带隙半导体材料,是II-VI族化合物半导体中应用比较广泛的光电子材料,CdSe在多硫体系中稳定性优于CdTe,因此在光电化学电池中是一种性能较理想的光电极材料,但是对于吸收太阳光能来说,CdSe的禁带宽度并不是最适合的,限制了转换效率的提高。因此,人们在调整CdSe的光学带隙方面做了大量的工作。

  近年来,大量的理论和实验研究表明,可以将CdSe和CdTe合成三元化合物CdSexTe1-x,CdSexTe1-x在多硫体系中的稳定性可以与CdSe相媲美,并且可以通过改变x值连续改变化合物的光学带隙和晶格常数,使CdSexTe1-x的光学带隙接近吸收太阳光光谱的最佳能隙1.45eV,有利于太阳能的转换。

  CdSexTe1-x薄膜的制备方法比较多,例如电子束蒸发、热壁真空沉积、分子束外延、电沉积、化学合成法等,但这些方法大都需要复杂的设备,成本较高。我们采取了设备简单,易于操作,成本低廉的真空蒸发技术,在玻璃衬底上制备了性能稳定的CdSexTe1-x三元化合物薄膜,并对其结构、表面形貌、光电性能、元素组成进行了分析,还考虑了热处理温度对薄膜的影响,为CdSexTe1-x薄膜在光电子器件中的应用提供实验依据。

1、实验

  1.1、薄膜的制备

  采用真空蒸发技术制备CdSexTe1-x三元化合物薄膜,首先将高纯CdTe和CdSe粉末按x=0、0.35、0.75、0.85、1等配比混合并放入玛瑙研钵中进行充分研磨、粉化,然后置入蒸发源,再将清洗干净烘干的玻璃衬底放入蒸发室,调节蒸发电流为65A。待蒸发室抽真空至8×10-4 Pa以上时进行蒸发。实验中衬底的温度为130℃,衬底转速为2r/min,实验中用一台石英膜厚监控仪在线监控蒸镀厚度d=1.1μm。最后将制备好的薄膜样品置于自动控温扩散炉中,在N2气氛中进行热处理,处理温度分别为300℃、350℃、400℃、450℃,处理时间为15min。

  1.2、薄膜的性能测试

  利用荷兰Philip公司生产的PW1830/40型X射线衍射仪对样品的晶体结构进行了测试,辐射源为CuKα线;利用日本日立公司生产的S-4800冷场发射扫描电子显微镜测试样品的表面形貌,并结合EDX对样品的元素组成进行分析;利用英国ULVAC-PHI.INC生产的KratosAmicus型X射线光电子能谱仪对刻蚀10s后的薄膜化学成分进行分析;利用美国PerkinElmer公司生产的Lambda750s紫外-可见分光光度计对薄膜的光学透过率进行了测试。

结论

  (1)实际得到的薄膜的x值比配比x值偏小,对于x的所有取值,薄膜均为立方闪锌矿结构的CdSexTe1-x三元化合物,择优取向为(111)晶面,晶格常数与x呈线性递减关系。

  (2)从SEM测试结果看出,薄膜表面的颗粒尺寸明显随着x值的增大而减小。

  (3)随x值增加薄膜的光学带隙逐渐减小,x=0.57时减小到最小值1.41eV,然后又增大,主要因为Se成分在薄膜中的含量不同,因此可以通过改变x值调节CdSexTe1-x薄膜的光学带隙。

  (4)升高热处理温度,可以改善薄膜的结晶程度,增加对光的吸收范围,减小光学带隙。

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