專利名稱：多元共蒸發(fā)制備銦鎵銻類多晶薄膜的方法
多元共蒸發(fā)制^鎵,多晶薄膜的方法C技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明屬刊恪大面積化，半導(dǎo)體薄膜材料和器件的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種在M或其他 Mr襯底idS行多元共蒸發(fā)制備m—Vm^tl半導(dǎo)體銦鎵銻(InGaSb)類多晶薄膜的方法，該方&fe可以制備合金薄,料與器件。 c背景技術(shù)熱光伏技術(shù)是將受熱高溫?zé)彷椛潴w的倉^S151半導(dǎo)體p/n結(jié)電池直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)。上世 紀(jì)60年代，美國麻省理工學(xué)院的研究人員給出了，的熱光伏系統(tǒng)的原理和概念，但限于當(dāng)時的 技術(shù)^l牛， 一直處于理論研究階段。直到上世纟fi90年代初期，石鄉(xiāng)ij出了低禁帶的^f七鎵(GaSb) 電池，熱光伏系統(tǒng)的一些優(yōu)點才得至頓步驗證。熱光伏系g要的優(yōu)點有理論效 高，噪音 低，無移動部件，可便攜，可靠性高，高^f只比功率，高錢比功率，可將熱能利用和發(fā)電結(jié)合 在一起等。目前，最具應(yīng)用前景的熱光伏電池材料是銦鎵銻(InGaSb)材料，制備方' 雄括在摻雜的單 晶或多晶靴鎵(GaSb)基片上，ffli!T散的方法形成p/n結(jié)；赫在單晶靴鎵(GaSb)襯底上 ilil射萬有機(jī)化，化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或OT束外延(MBE)的方法制^Si家銻(InGaSb) p/n結(jié)薄膜。這些方法制備的銦鎵銻(InGaSb)材料,都是屬于糊料范圍，厚度婦00網(wǎng)以上，需 要耗費大量的原材料。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有方法制備的銦鎵銻材料屬于體材料，需要耗費大量昂貴的原材料的問 題，提供一種在玻璃或其他廉價襯底上進(jìn)行多元共蒸發(fā)制備III一V族化合物半導(dǎo)體銦鎵銻 (InGaSb)類多晶薄膜的方法。本發(fā)明旨在在玻諒或期t^襯底上實現(xiàn)不同的In/Ga比的多晶銦鎵銻(InGaSb)薄膜的制備， 使實際的有效層厚度不皿10Mm，肖辦節(jié)省昂貴的原材料，同時可實現(xiàn)大面積沉積，制備大面積 薄膜半導(dǎo),件。本發(fā)明提喉的多元共蒸發(fā)制，鎵銻類多晶薄膜的方法，包括第一、將清洗千凈并千燥的襯底與銦源、鎵源、銻源蒸發(fā)源SA真空W^、統(tǒng)的鐘罩內(nèi)抽真空；第二待真空^^統(tǒng)內(nèi)的，降到3.(M0—3pa以下，將襯底均勻加熱M200-60(TC之間，并^S—襯底鵬第三、同B対丁糊源、鎵源、銻源蒸發(fā)源的加熱電源，分別控帶條源、鎵源和銦源的蒸發(fā)溫 度，在銻M^發(fā)溫度(300-500°C)設(shè)定基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)鎵,發(fā)M (400-120(TC)和銦蒸發(fā)源溫 度(500-1300'C)，使其對應(yīng)于不同的鎵源和銦皿皿率。待蒸;^源溫度恒定后，進(jìn)行銦鎵銻多晶薄膜的共蒸發(fā)或分步蒸發(fā)，當(dāng)材料為靴鎵時，材料的禁帶寬度為0.72eV，當(dāng)材料為謝七銦時， 材料的禁帶寬度為0.18eV，調(diào)節(jié)鎵源和銦源的不同蒸發(fā)溫度，可以獲得不同的鎵源和掛 皿 率，得到不同鎵賴的銦鎵麟多晶薄膜，從而調(diào)節(jié)薄膜材料的禁帶寬度在0.18eV至0.72eV之間。戰(zhàn)第三步艦分別控制銻源、鎵源和銦源等蒸發(fā)源鵬，使絲自蒸發(fā)，可分別制備出銻 化鎵(GaSb)、 mfc銦(InSb)或銦鎵銻(InGaSb)等多晶化激半導(dǎo)TO膜。i!31調(diào)節(jié)銻源、鎵 源和銦源等蒸發(fā)源溫度，控制各元素的蒸皿率，可得到不同比例的銦鎵銻(InGaSb)類薄膜材 料，從而調(diào)節(jié)材料的禁帶寬度。戶;M的蒸發(fā)、源采用坩鍋、蒸發(fā)舟、或線性條 ， M電阻或高頻加熱方，蒸發(fā)源進(jìn)行力口熱，使於元素蒸發(fā)；蒸發(fā)源內(nèi)設(shè)有耐高溫?zé)犭娕甲鳛轾i傳離，對蒸發(fā)源進(jìn)斤鵬控制。蒸發(fā)源由高熔材料鉤、鉬、鉭、氧化f5、 二氧化硅、氮化硼、碳化硅、或石墨制成。戶腿的 蒸發(fā)源上方設(shè)置有可移動擋板，用于控制蒸發(fā)元素的蒸發(fā)量。蒸發(fā)源可以放置在襯底之下，由下 至上將元素蒸發(fā)到襯底上；也可以將蒸發(fā)源放置在襯底之上，由JlM下將元素蒸發(fā)到襯底上。通 過移動襯底或改變蒸發(fā)源位置(g卩調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與襯底之間的垂都巨離，并調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與襯底托盤 中心法線的夾角)，可提高薄膜的均勻'M以制備大面積半導(dǎo)^I力能器件，如大面積窄帶隙熱光伏 器條。戶腿的襯底材料為 的材料如玻諒、陶瓷、金屬或高肝聚^tl等，剛性和柔性的均可。 襯底由加熱器加熱，離可調(diào)節(jié)在室溫200"60(TC范圍內(nèi)。本發(fā)明的主要特點是1)本發(fā)明是一種多元共蒸發(fā)制備m—V族化^tJ半導(dǎo)體銦鎵銻(InGaSb)類多晶薄膜的制 備方法。是在真空斜牛下蒸發(fā)銦(In)、鎵(Ga)、銻(Sb)沉積在襯底上；在MI莫室里設(shè)置銻蒸發(fā)源、鎵蒸^:源和銦蒸:S:源的位置(調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與襯底之間的垂都巨離)和角度(調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與襯底髓中心法線的夾角)，使蒸繊材能有效、均勻地沉積在襯底上，瓶高原材料的利用率；艦分別控制銻源、鎵源和銦源鶴發(fā)源鵬，使賂自蒸發(fā)，可分別制備出靴鎵(GaSb)、銻 化銦(InSb)和銦鎵銻(InGaSb)等多晶化糊半導(dǎo)鵬膜2) 皿設(shè)定銻源、鎵源和銦源，發(fā)源，，控制各元素的蒸皿率；調(diào)節(jié)蒸;^源上^W擋板，艦齡蒸發(fā)源上的擋板打開和關(guān)閉，可控制元素的種類和蒸發(fā)量?？傻玫讲煌壤你?鎵銻ClnGaSb)類薄膜材料，從而調(diào)節(jié)材料的禁帶寬度c3) 本發(fā)明把襯底放在旋轉(zhuǎn)的圓處，在制備薄鵬程中使其勻速旋貨，使得制備出的薄膜 厚度均勻。4) 本發(fā)明艦移動襯底或改變蒸發(fā)源位置提高薄膜的均勻性，可制備大面積半導(dǎo)#^能器 件，如大面積窄帶隙熱光伏器f特。本發(fā)明的有M^是實現(xiàn)了在玻璃或其他廉價襯底上，通過多元共蒸發(fā)方法，實現(xiàn)可調(diào)節(jié)禁帶寬度的銦鎵銻 (InGaSb)類多晶薄膜的制備，是一種低成本制，鎵銻(InGaSb)類多晶薄膜材料的方法。本發(fā)明可制備大面積化^l半導(dǎo)術(shù)薄膜材料和器件，也可以制備合金薄膜材料與器件，可應(yīng) 用于相關(guān)的禾頓與zi^單位。
圖l為共蒸發(fā)制備銦鎵銻(InGaSb)類多晶薄膜的真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示飾圖。具體實施方式
本發(fā)明《頓的共蒸發(fā)制，鎵銻(InGaSb)多晶薄膜的真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖l，圖中^f牛分別是 l.真空系統(tǒng)鐘，2.加熱絲，3.襯底，4.擋板，5.銻蒸發(fā)源，6.銻蒸發(fā)源擋板，7.銦蒸發(fā)源，8.銦蒸 發(fā)源擋板，9J織發(fā)源，10.織發(fā)源擋板，ll.旋轉(zhuǎn)髓，12.抽氣孔。本發(fā)明制備的多晶薄膜厚度均勻，厚度艦沉積時間(從擋板4的打開計時至擋板4關(guān)閉)控 制，薄膜的結(jié)構(gòu)特性和光學(xué)特性良好。設(shè)置銻蒸:^源5、銦蒸發(fā)源7和鎵蒸^M8的位置(調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與襯底之間的垂都巨離)和角度 (調(diào)節(jié)蒸發(fā)源與襯底髓中心法線的夾角)，使蒸繊材能有效、均勻地沉積在襯底上，瓶高原 材料的利用率；襯底加熱采用熱M2加熱的方式；把襯底3放在旋轉(zhuǎn)的圓盤上，在制備薄膜過程中 使其勻速旋轉(zhuǎn)(速率為3(M50轉(zhuǎn)/射中)，使得制備出的薄膜厚度均勻?？刂其R蒸發(fā)源擋板6、銦蒸 發(fā)源擋板8和i竊;^源擋板10，可分別制備出^f七鎵(GaSb)、 HM七銦(InSb)和銦鎵銻(InGaSb)等多晶化，半導(dǎo)術(shù)"i膜。 鄉(xiāng)例i將玻璃襯底超聲清洗后，用去離子水沖 遍，再用氮氣吹千水汽，sA高真空mm系統(tǒng)的鐘罩內(nèi)襯底3位置，用前級泵將真空室預(yù)抽至10pa以下后，用高真^抽真空；待真空ffi系統(tǒng) 內(nèi)的綴降到3.0xl0-3Pa以下，用加熱絲2將襯底3均勻加熱至3(XrC之間，^fi^一襯底離； 旋轉(zhuǎn)圓盤ll，使其勻3U定轉(zhuǎn)(速率為45轉(zhuǎn)/辦中)；在銻源5蒸^ia度(37(TC)設(shè)定^5出上，調(diào) 節(jié)鎵源9蒸發(fā)溫度(90(TC)，打，源和鎵源的加熱電源，，mS達(dá)到設(shè)定^;待銻源5 和鎵源9的鵬超股定能，同附丁TO蒸發(fā)源擋板6和鎵蒸發(fā)源擋板10，穩(wěn)定2辦中；打開 襯底下方的擋板4，開始GaSb薄膜的蒸發(fā)，并開々射十時，60併中后，關(guān)閉襯底下方的擋板4，關(guān) 閉銻源5和鎵源9的加熱電源，關(guān)閉加熱絲2的加熱電源；待襯底M降至10(TC以下后，關(guān)閉高 真空閥，將樣品取出。該薄膜為多晶薄膜，厚度為1.3-1.5Mrn，材料的禁帶寬度為0.72eV。實施例2將M襯/^聲清洗后，用去離子7K沖洗數(shù)遍，再用氮氣吹干水汽，置入高真空鍍膜系統(tǒng)的鐘罩內(nèi)襯底3位置，用前級泵將真空室預(yù)抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空 ^統(tǒng) 內(nèi)的綴降到3.0xl(r3Pa以下，用加熱絲2將襯底3均勻加熱至30(TC之間，并^S—襯底鵬； 旋轉(zhuǎn)圓盤ll，使其勻 轉(zhuǎn)(速率為45轉(zhuǎn)/射中)；在銻源5蒸發(fā)溫度G70。C)設(shè)定基礎(chǔ)上，調(diào) 節(jié)銦源7蒸發(fā)旨(6(XTC)，打飛弟源和銦源的加熱電源，，mS達(dá)到設(shè)定溫度；待銻源5 和銦源7的、iat超股定值后，同時打開鋪蒸發(fā)源擋板6和銦蒸發(fā)源擋板8，穩(wěn)定2射中；打開襯 底下方的擋板4，開始InSb薄膜的蒸發(fā)，并開々&i十時，90併中后，關(guān)閉襯底下方的擋板4，關(guān)閉銻源5和掛源7的加熱電源，關(guān)閉加熱絲2的加熱電源；待襯底as降至i(xrc以下后，關(guān)閉高真空閥，將樣品取出。該薄膜為多晶薄膜，厚度為1.4-1.6拜，材料的禁帶寬度為0.18eV。 實施例3將玻璃襯底超聲清洗后，用去離子7K沖洗數(shù)遍，再用氮氣吹干水汽，置入高真空 系統(tǒng)的鐘罩內(nèi)襯底3位置，用前級泵將真空室預(yù)抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空M^統(tǒng) 內(nèi)的氣壓降到3.0xl0—3pa以下，用加熱絲2將襯底3均勻加熱至350。C之間，并^#^一襯底驢； 旋轉(zhuǎn)圓盤ll，使其勻ilJ足轉(zhuǎn)(速率為45轉(zhuǎn)/^l中)；在銻源5蒸發(fā)鵬(37(TC)設(shè)定基礎(chǔ)上，調(diào) 節(jié)鎵源9蒸^T溫度(900°C)，調(diào)節(jié)銦源7蒸發(fā)溫度(600'C)，打開銻源5、鎵源9和掛源7的加熱 電源，直至^Siii股定^; f機(jī)源5、鎵源9和銦源7的^S達(dá)到設(shè)定i1^，同時打 m蒸 發(fā)源擋板6、鎵蒸發(fā)源擋板10和銦蒸^^源擋板8，穩(wěn)定2^H中;打開襯底下方的擋板4，開始GaJn卜xSb薄膜的蒸發(fā)，并開^i十時，60併中后，關(guān)閉襯底下方的擋板4，關(guān)閉銻源5、鎵源9和銦源7的加 熱電源，關(guān)閉加熱絲2的加熱電源；待襯底a^降至10(TC以下后，關(guān)閉高真空閥，將樣品取出。 該薄膜為多晶薄膜，厚度為1.3-1.5拜，材料的禁帶繊為0.18eV至0.72eV之間。艦調(diào)節(jié)銻源、鎵源和銦源的不同蒸^i^，如銻麟發(fā)鵬改為300、或500。C，鎵麟發(fā) aS改為400、 500、 700、 1000、或1200。C，銦麟;^鵬改為500、 800、 1000、 1100或1300。C 等同樣可以獲得所需的銦鎵銻(InGaSb)類多晶薄膜。
權(quán)利要求
1、一種多元共蒸發(fā)制備銦鎵銻類多晶薄膜的方法，其特征在于該方法包括第一、將清洗干凈并干燥的襯底與銦源、鎵源、銻源蒸發(fā)源置入真空鍍膜系統(tǒng)的鐘罩內(nèi)抽真空；第二、待真空鍍膜系統(tǒng)內(nèi)的氣壓降到3.0×10-3Pa以下，將襯底均勻加熱至200-600℃之間，并保持這一襯底溫度；第三、同時打開銦源、鎵源、銻源蒸發(fā)源的加熱電源，分別控制銻源、鎵源和銦源的蒸發(fā)溫度，在銻源蒸發(fā)溫度300-500℃的設(shè)定基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)鎵源蒸發(fā)溫度400-1200℃和銦蒸發(fā)源溫度500-1300℃，使其對應(yīng)于不同的鎵源和銦源蒸發(fā)速率；待蒸發(fā)源溫度恒定后，進(jìn)行銦鎵銻多晶薄膜的共蒸發(fā)或分步蒸發(fā)，當(dāng)材料為銻化鎵時，材料的禁帶寬度為0.72eV，當(dāng)材料為銻化銦時，材料的禁帶寬度為0.18eV，調(diào)節(jié)鎵源和銦源的不同蒸發(fā)溫度，得到不同鎵含量的銦鎵銻類多晶薄膜，從而調(diào)節(jié)薄膜材料的禁帶寬度在0.18eV至0.72eV之間。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于第三步得到的銦鎵f，多晶薄膜為謝七鎵、謝七銦或銦鎵銻多晶薄膜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求i或2所述的方法，，征在于戶;M的蒸發(fā)、源，坩鍋、蒸發(fā)舟、或線性條 ，艦電阻或高頻加熱方式對蒸發(fā)源進(jìn)行加熱，使於元素蒸發(fā)；蒸發(fā)源內(nèi)設(shè)有耐高溫?zé)犭娕甲鳛?傳自，對蒸:^源進(jìn)fi^a^控制。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3戶腿的方法，其特征在于戶脫的蒸發(fā)源由高熔材料鴇、鉬、鉭、氧化鋁、二氧化硅、氮化硼、碳化硅、艦?zāi)瞥伞?br> 5、 根據(jù)權(quán)利要求3戶皿的方法，，征在于0M的蒸發(fā)源上方設(shè)置有可移動擋板，用于控制 蒸敘素的蒸發(fā)量。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3戶/M的方法，，征在于戶;M的蒸發(fā)源放置在襯底之下，由下MJ:將元素 蒸發(fā)到襯底上；鵬蒸發(fā)源艘在襯底a，由±5下將元素蒸發(fā)到襯底上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，期寺征在于戶脫的襯底材料為玻璃、陶瓷、金屬或耐高 溫的高M(jìn)聚，。
全文摘要
一種多元共蒸發(fā)制備銦鎵銻類多晶薄膜的方法。該方法包括將襯底與銦源、鎵源、銻源蒸發(fā)源置入真空鍍膜系統(tǒng)的鐘罩內(nèi)抽真空；將襯底均勻加熱至200-600℃之間，并保持這一襯底溫度；同時打開銻源、銦源、鎵源蒸發(fā)源的加熱電源，分別控制其蒸發(fā)溫度，銻源加熱至300-500℃之間，銦源加熱至400-1200℃之間，鎵源加熱至500-1300℃之間，使其各自蒸發(fā)，可分別制備出銻化鎵(GaSb)、銻化銦(InSb)或銦鎵銻(InGaSb)等多晶化合物半導(dǎo)體薄膜。通過調(diào)節(jié)銻源、鎵源和銦源等蒸發(fā)源溫度，控制各元素的蒸發(fā)速率，可得到不同比例的銦鎵銻(InGaSb)類薄膜材料，從而調(diào)節(jié)材料的禁帶寬度。通過移動襯底或改變蒸發(fā)源位置，可提高薄膜的均勻性用以制備大面積半導(dǎo)體功能器件。
文檔編號C23C14/54GK101245442SQ200810052489
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者喬在祥, 青 何, 周志強(qiáng), 云 孫, 張德賢, 李勝林 申請人:南開大學(xué)