[发明专利]在GaAs单晶衬底上制备CdZnTe外延膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备CdZnTe外延膜的方法，特别是涉及一种在GaAs单晶衬底上制备CdZnTe外延膜的方法。

背景技术

CdZnTe材料具有平均原子序数高、禁带宽度大、电阻率高、漏电流和噪声低、本征μ τ值较高等优点，是制备室温核辐射探测器的理想材料，被广泛应用于天体物理、环境监测、核安全和医学成像等领域。不断提高的像素探测器规模对CdZnTe晶体尺寸提出了更高的要求，然而大尺寸CdZnTe单晶存在结构缺陷多、成分不均匀、制备难度大、成本高等问题。相比之下，CdZnTe薄膜耗材少、节约成本且易于大面积制备，使其在大面积辐射探测器上的应用受到越来越多的关注。

制备CdZnTe外延膜的方法主要有分子束外延法、热壁外延法、金属有机物气相外延法和近空间升华法(CSS)等。分子束外延法和热壁外延法生长速率低，而金属有机物化学气相沉积法生长速率虽然高，但需要大量价格昂贵且有毒的金属有机化合物原料。相比之下，近空间升华法(CSS)的生长设备和源材料相对廉价且生长速率快，适合快速制备CdZnTe外延厚膜。

然而，由于CSS工艺中生长速率快，因而用于外延CdZnTe膜时质量和均匀性不易控制。(1)CdZnTe三元化合物不能实现同质升华，Zn的蒸气压及黏附系数较Cd低，因此CdZnTe膜中Zn易缺失。Dhere等(R.Dhere,T.Gessert,J.Zhou et al.Investigation of CdZnTe for Thin-Film Tandem Solar Cell Applications.2003 Materials Research Society Spring Meeting.San Francisco,California,2003:1-6.)采用CSS法在FTO玻璃上制备CdZnTe薄膜，当使用ZnTe:CdTe为95:5的混合粉末为源时，所得到的薄膜依然不含Zn，当使用Cd0.25Zn0.75Te化合物粉末为源时，所得到的薄膜中Zn含量仅为5％左右。(2)Tobenas等(S.Tobenas,E.M.Larramendi,E.Puron et al.Growth of Cd1-xZnxTe epitaxial layers by isothermal closed space sublimation.J.Cryst.Growth.2002,234:311-317.)在其改良的CSS设备中使衬底周期性与Cd、Te及Zn元素接触，以类似原子层外延的方式生长CdZnTe外延膜。这种方法的优点在于膜中成分易于控制，但其生长速率慢。(3)依Zn含量的不同，CdZnTe与GaAs衬底的晶格失配在7.88％与14.6％之间变化。大的晶格失配使得外延CdZnTe时，易发生二重取向(Dual epitaxy)及出现多丘形貌(Hillocks)。二重取向是指，以(001)GaAs衬底为例，CdZnTe外延膜可能为(001)取向、(111)取向或者(001)及(111)取向同时存在。Jiang等(Q.Jiang,A.Brinkman,B.Cantwell et al.Growth of Thick Epitaxial CdTe Films by Close Space Sublimation.J.Electron.Mater.2009,38:1548-1553.)采用改进的CSS设备在GaAs衬底上生长CdTe外延膜。采用了两步法工艺，即在生长初期以较慢的速率生长，以提供更好的形核条件，之后提高速率以提高薄膜的生长效率。然而，所得到的膜依然难以克服CdZnTe膜生长中易存在的小丘(Hillocks)及二重取向(Dual epitaxy)等问题。

发明内容