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液相激光烧蚀优化CZT厚膜表面处理，对比氮气、去离子水和柠檬酸-过氧化氢环境，发现后者显著降低表面粗糙度54.5%（12.72μm→5.79μm），抑制微裂纹和颗粒沉积，同时形成TeO?钝化层，使暗电流降至4.64nA，光电信号增强30.56nA，信噪比达60.48dB。
刘培帅|孙慧|邓嘉伟|唐正|乐静生|刘琪雅|刘立勤|周喜平|郑琳|马建宁|张玉凡|李志毅|高秀英|曾铁贤
成都信息科技大学光电工程学院，中国成都，610225
摘要
基于CdZnTe（CZT）厚膜的X射线探测器的性能受到高表面粗糙度、高缺陷密度和脆性的严重限制。传统的抛光和蚀刻方法容易导致表面损伤，并增加环境和健康风险。为了解决这些问题，本文介绍了液相激光烧蚀作为一种有效的CZT表面处理技术。系统地比较了在氮气、去离子水和柠檬酸-过氧化氢溶液中进行激光烧蚀对CZT薄膜表面形貌、粗糙度、元素组成和电性能的影响，同时阐明了相关的钝化反应和形貌演变机制。结果表明，柠檬酸-H?O?介质带来了最显著的改进，表面粗糙度降低了约54.5%（从12.72 μm降至5.79 μm），并有效抑制了微裂纹的形成和颗粒的再沉积。关键的是，观察到CZT与柠檬酸-H?O?溶液之间的激光促进化学反应，生成了可溶性金属-柠檬酸复合物，持续去除烧蚀颗粒，并最小化了激光能量的衰减——这区别于去离子水中的屏蔽效应。处理后的表面呈现出特征性的微米级V形或U形坑洞，这是由激光诱导的气泡和颗粒动态作用造成的。此外，原位形成的TeO?钝化层显著提高了探测器性能，暗电流低至4.64 nA，净光电流高达30.56 nA，信噪比为60.48 dB。本研究表明，柠檬酸-H?O?辅助的液相激光烧蚀是一种高度可控、高效且环保的CZT表面工程策略，为CZT薄膜的表面处理提供了重要的实验基础。
引言
Cd?-xZn?Te（CZT）是一种II-VI族化合物半导体材料，由于其优异的光电性能（包括高原子序数、宽带隙和高载流子迁移率-寿命乘积）而被广泛用于室温辐射探测器[[1], [2], [3]]。辐射检测技术的最新进展增加了对高性能CZT探测器的需求。然而，诸如晶界、Te夹杂物和表面缺陷等微观结构缺陷已被证明会显著降低材料的电性能和光学性能，从而成为限制器件性能的关键因素[4,5]。因此，表面处理已成为制备高性能CZT探测器的重要工艺，在近年来受到了广泛关注和研究[[6], [7], [8]]。
目前CZT晶圆的加工流程包括依次进行研磨、机械抛光、化学蚀刻和化学钝化，以减轻表面缺陷和粗糙度对载流子传输的不利影响[[9], [10], [11]]。Yan等人[12]结合了机械抛光、化学蚀刻和钝化工艺，显著改善了CZT多晶厚膜的表面质量，并有效降低了表面漏电流。然而，CZT具有典型的柔软和脆性特征，其硬度仅为硅（Si）的十二分之一左右（Si的莫氏硬度约为6.5 [13,14]），这使得材料在机械研磨和抛光过程中极易产生微裂纹，导致表面损伤层或塑性变形，从而使表面处理过程变得复杂。此外，机械抛光和化学蚀刻可能会引入表面杂质，如抛光剂残留物或蚀刻剂污染，从而影响探测器性能[15,16]。另外，常用的蚀刻剂如硝酸和溴甲烷不仅具有高度腐蚀性，还对环境和人类健康有害。因此，开发一种适用于厚膜CZT的表面处理工艺，既能最小化表面污染，又能确保环境和人类安全，显得尤为重要。
近年来，纳秒激光脉冲与固体材料相互作用领域取得了显著进展，催生了在表面上制造微/纳米结构的新技术。因此，激光烧蚀已成为宽带隙半导体辐射探测器表面处理的一种非常有前景的方法[[17], [18], [19]]。研究表明，超短脉冲激光在半导体表面的应用可以提高工艺的可控性和重复性。在CZT厚膜的背景下，激光烧蚀可以有效改善表面均匀性，降低缺陷密度，并优化金属-半导体接触界面的特性[20,21]。
然而，这项技术的实际应用面临一些挑战，如热影响区[22]、碎屑再沉积[21,23]、热应力引起的微裂纹[24,25]，以及烧蚀过程中产生的CZT颗粒的吸入危害。为了解决这些问题，提出了水下激光加工作为一种先进的替代方案。该方法有效抑制了热影响区，减少了微裂纹的形成，并显著减轻了颗粒飞溅和再沉积，得益于水的高对流热传递系数，有助于去除表面碎屑[26,27]。
在本文中，使用真空物理气相传输（PVT）方法制备了CZT厚膜[28]，然后通过在三种不同的环境中进行垂直激光烧蚀对其表面进行了改性：氮气（N?）气氛、去离子水和柠檬酸-H?O?混合溶液。选择1064 nm的激光波长是因为其在液体介质中的低散射损耗和高穿透能力。这一特性有助于减轻热效应，抑制微裂纹的形成，并减少水环境中的颗粒再沉积。由于CZT厚膜本身具有表面粗糙度，实验系统地研究了这些不同激光烧蚀环境在恒定激光功率和重复频率下对表面形貌和电性能的影响。这项工作开创了一种高效且环保的CZT表面处理工艺，为提高CZT表面质量提供了关键技术参考。本工作的详细流程图见补充图S1。
表面形貌分析
图2显示了CZT厚膜表面处理前后的形貌。原始生长的CZT厚膜（图2(a1)）表面粗糙，颗粒密集，平均粒径为150 μm。图2(a2)显示了典型的多边形、金字塔状层状结构。
图2(b1)展示了样品A的烧蚀区域形貌，其特征是颗粒扁平化、存在微米级通道和随机孔洞[21,35]。同时，如图2(b2)所示，
结论
本文系统评估了一种新型的、环保的液相激光烧蚀技术，用于X射线探测器中使用的CZT厚膜的表面工程。通过比较在氮气、去离子水和柠檬酸-H?O?溶液中的激光处理效果，确定柠檬酸-H?O?溶液为最佳环境，该环境结合了高效的激光抛光、最小的能量损失、有效的液体冷却和表面钝化。主要结论
CRediT作者贡献声明
刘培帅：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件、方法论、研究、正式分析、数据管理、概念化。
孙慧：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、研究、资金申请、正式分析。
邓嘉伟：正式分析。
唐正：正式分析。
乐静生：正式分析。
刘琪雅：正式分析。
刘立勤：正式分析。
周喜平：资源管理、项目协调
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52562001）和四川省科技计划（编号2023NSFSC1983和2024YFTX0029）的支持。
