專利名稱：激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)傳感器和光電器件材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及激光脈沖沉積法 制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的慘鐵碳薄膜材料。
背景技術(shù)：
光電導(dǎo)材料因其在光學(xué)探測、傳感等方面的應(yīng)用而備受關(guān)注。早在20世紀(jì) 八十年代，谷岡健吉等人就發(fā)明了摻雜Te的Se光電導(dǎo)薄膜CN85104072B。硅基 光電導(dǎo)材料也被廣泛地研究。為了避免在生產(chǎn)過程中使用磷烷、硼垸、砷烷等劇 毒氣體，吳宗炎等人發(fā)明了用氫氣，氦氣或者氬氣作為III-V族單質(zhì)或者化合物 的載氣來摻雜非晶硅薄膜的方法CN 85100512。不過在吳的方法中，依然使用了 硅垸等有毒氣體。隨著人們對材料和工藝的環(huán)保要求越來越高， 一些新穎的光電 導(dǎo)材料應(yīng)運而生。張景文等人發(fā)明了一種制備ZnO基光電導(dǎo)材料的方法 CN101055903。制備出的ZnO薄膜因其帶隙較寬，特別適用于紫外光探測。金克 新等人制備了鈣鈦礦錳氧化物異質(zhì)結(jié)薄膜CN1753190。這種薄膜在80K溫度下， 在激光照射前后，電導(dǎo)變化可以達(dá)到16.6倍。
非晶碳薄膜材料因其制備方法多樣，材料便宜易得，無毒無害，帶隙可調(diào)性 大等優(yōu)點成為光電導(dǎo)材料的有力候選者。Namita Dutta Gupta, C. Longeaud, P. Chaudhuri， A. Bhaduri, S. Vignoli， Journal of Non-Crystalline Solids, 2006， 352: 1307 -1309報道了用等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)制備非晶碳薄膜光 電導(dǎo)材料的方法。這種薄膜對可見光的響應(yīng)很微弱，但是對紫外光的響應(yīng)很靈敏， 是潛在的紫外光探測器。文獻(xiàn)Hare Ram Aryal, Sudip Adhikari, Dilip Chandra
3Ghimire, Golap Kalita, Masayoshi Umeno， Diamond & Related Materials, 2008, 17: 680 - 683和文獻(xiàn)Prakash R. Somani， Savita P. Somania, M. Umeno， Physica E， 2008， 40: 2783 - 2786報道了使用微波表面波等離子體化學(xué)氣相沉積方法制備碳薄膜材 料的方法。這種薄膜在氙燈100mW/cm2的光照強度和測試電壓為0.2V的情況下， 暗電流與光電流之比為5。而文獻(xiàn)S. Kawai, T. Shinagawa, M. Noda, M. Umeno, Diamond & Related Materials 2008,17: 676 - 679中報道的碳薄膜光電導(dǎo)在室溫和 光照條件AM1.5時，光電流與暗電流之比為20 30。
這些碳薄膜材料都是用氣相方法沉積的，制備過程中大量使用碳?xì)浠衔餁?體和氨氣等，對制備工藝的環(huán)保要求和安全要求很高。而且這些薄膜或者帶隙較 大，不適用于可見光領(lǐng)域的應(yīng)用，或者響應(yīng)的幅度還可以進(jìn)一步地提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。
激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，其特征在于，將Si (100)基片、高純C靶以及Fe耙放入激光脈沖沉積設(shè)備的真空鍍膜室內(nèi)，將鍍 膜室內(nèi)的背底真空抽至小于8X10—卞a后，加熱Si基片至350°C~450°C，再用KrF 激光器脈沖轟擊Fe靶，并同時啟動旋轉(zhuǎn)Fe靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積Fe層 薄膜，脈沖激光的頻率為l~10Hz，沉積時間為2 8min，之后用KrF激光器脈沖 轟擊高純C靶，并同時啟動旋轉(zhuǎn)C靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積C層薄膜，脈 沖激光的頻率為l~10Hz，沉積時間為4 15min，沉積結(jié)束后，保溫退火10min 30min，讓Fe原子擴散至C層中，自然冷卻至室溫，得到具有白光光電導(dǎo)效應(yīng)的 摻鐵碳薄膜材料。
所述Fe耙純度為99.99%。所述C靶純度為99.9%。
本發(fā)明的有益效果為
1、 用激光脈沖沉積法沉積于n型Si襯底上的摻鐵碳薄膜，厚度在20納米 左右，為p型半導(dǎo)體。它在70mW/cn^的白光照射下(金鹵燈提供)，在某個測 試電壓段，其電導(dǎo)變化可以達(dá)到IOO倍以上，大于文獻(xiàn)上報道的光電導(dǎo)變化值。
2、 采用激光脈沖沉積方法制備薄膜，方法簡單，工藝穩(wěn)定，可控性好，具 有很高的制備效率。而且在薄膜沉積過程中，避免使用易燃易爆有毒的物質(zhì)，附 合環(huán)保要求。


圖1為摻鐵碳薄膜材料的結(jié)構(gòu)及其光電導(dǎo)性能測試的示意圖； 圖2為實施例1制備的摻鐵碳薄膜材料的室溫I-V傳輸特性； 圖3為實施例1制備的摻鐵碳薄膜材料恒流源測試條件下，不同測試電流對
應(yīng)的光電導(dǎo)變化值。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明 實施例1
激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，將處理好的Si
(100)基片、高純C耙(所述C靶純度為99.9。/。)以及Fe靶(所述Fe靶純度 為99.99%)放入激光脈沖沉積設(shè)備的真空鍍膜室內(nèi)，用機械泵和分子泵將鍍膜 室內(nèi)的背底真空抽至5X 10"Pa后，加熱Si基片至400°C ，再用KrF激光器(Lambda Physics LPX205， 2 48nm, 25ns FWHM)產(chǎn)生的能量為360mJ的脈沖轟擊Fe靶， 并同時啟動旋轉(zhuǎn)Fe靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積Fe層薄膜，脈沖激光的頻率 為lHz，沉積時間為4min,之后用KrF激光器(Lambda Physics LPX205, 2 48nm,25nsFWHM)產(chǎn)生的能量為300mJ的脈沖轟擊高純C靶，并同時啟動旋轉(zhuǎn)C靶 和Si基片的馬達(dá)，開始沉積C層薄膜，脈沖激光的頻率為6Hz，沉積時間為6min， 沉積結(jié)束后，保溫退火20min，讓Fe原子擴散至C層中，自然冷卻至室溫，得 到具有白光光電導(dǎo)性質(zhì)的摻鐵碳薄膜材料。
沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶托與基片托之間的距離為50mm，激 光束在靶材上的束斑大小約為2X2 mm，所用Si基片為n型Si (100)，電阻率 為0.55~0.8 Q *cm，大小為10X5X0.5 mm。制備前，將Si基片依次放入丙酮和 酒精中超聲清洗各3遍，每遍5min，再用質(zhì)量濃度為10°/。的氫氟酸水溶液進(jìn)行 腐蝕處理。所制備的摻鐵碳薄膜材料的膜厚由TEM (JEM-2011)測量；界面結(jié) 構(gòu)同樣用TEM (JEM-2011)觀察;IV性能用四電極法由Keithley2400電流電壓 表測量；光源由金鹵燈提供。摻鐵碳薄膜材料的C層厚度為18nm。
摻鐵碳薄膜材料的結(jié)構(gòu)及其光電導(dǎo)性能測試的示意圖如圖1所示。圖2為本 實施例得到的摻鐵碳薄膜材料的室溫I-V傳輸特性。從圖2可以看出，隨著測試 電流的增加，探測到的電壓首先快速地增加，經(jīng)過一個臨界電流后，電壓再緩慢 地增加。而且隨著光照強度的增加，臨界電流也相應(yīng)地增加。圖2中，光響應(yīng)最 顯著的區(qū)域正對應(yīng)于測試電流接近于O的區(qū)域，這樣從應(yīng)用角度講，就可以節(jié)省 器件的功耗。而且這種薄膜是對白光相應(yīng)的，使用面較廣。圖3為本實施例制備 的摻鐵碳薄膜材料恒流源測試條件下，不同測試電流對應(yīng)的光電導(dǎo)變化值。圖3 顯示，在測試電流為lmA左右時，黑暗條件下和70mW/crr^光照條件下探測到 的電壓之比，亦即暗電阻和光電阻之比可以達(dá)到100倍以上。性能相關(guān)的附圖針 對實施例l。測試示意圖針對所有實施例。
實施例2
激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，將處理好的Si(100)基片、高純C靶(所述(靶純度為99.9%)以及Fe靶(所述Fe靶純度 為99.99%)放入激光脈沖沉積設(shè)備的真空鍍膜室內(nèi)，用機械泵和分子泵將鍍膜 室內(nèi)的背底真空抽至4.5Xltr4Pa后，加熱Si基片至450°C，再用KrF激光器
(Lambda Physics LPX205, 2 48nm, 25ns FWHM)產(chǎn)生的能量為340mJ的脈沖 轟擊Fe靶，并同時啟動旋轉(zhuǎn)Fe靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積Fe層薄膜，脈沖 激光的頻率為4Hz，沉積時間為2min，之后用KrF激光器(Lambda Physics LPX205， 2 48nm,25nsFWHM)產(chǎn)生的能量為300mJ的脈沖轟擊高純d并 同時啟動旋轉(zhuǎn)C靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積C層薄膜，脈沖激光的頻率為10Hz， 沉積時間為10min，沉積結(jié)束后，保溫退火15min，讓Fe原子擴散至C層中，自 然冷卻至室溫，得到具有白光光電導(dǎo)性質(zhì)的摻鐵碳薄膜材料。
沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶托與基片托之間的距離為50mm，激 光束在靶材上的束斑大小約為2X2 mm，所用Si基片為n型Si (100)，電阻率 為0.55-0.8 Q *cm，大小為10X5X0.5 mm。制備前，同樣將Si基片依次放入丙 酮和酒精中超聲清洗3遍，每遍5min，再用質(zhì)量濃度為10%的氫氟酸水溶液進(jìn) 行腐蝕處理。
用上述方法制備的摻鐵碳薄膜材料，黑暗條件下和70mW/cn^金鹵燈照射條 件下，其電導(dǎo)變化可以達(dá)到IOO倍以上，明顯優(yōu)于上述文獻(xiàn)中報道的光電導(dǎo)值。 從制備工藝角度講，薄膜制備的整個過程避免使用易燃易爆有毒的氣體，符合環(huán) 保要求。
權(quán)利要求
1、激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，其特征在于，將Si(100)基片、高純C靶以及Fe靶放入激光脈沖沉積設(shè)備的真空鍍膜室內(nèi)，將鍍膜室內(nèi)的背底真空抽至小于8×10-4Pa后，加熱Si基片至350℃～450℃，再用KrF激光器脈沖轟擊Fe靶，并同時啟動旋轉(zhuǎn)Fe靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積Fe層薄膜，脈沖激光的頻率為1～10Hz，沉積時間為2～8min，之后用KrF激光器脈沖轟擊高純C靶，并同時啟動旋轉(zhuǎn)C靶和Si基片的馬達(dá)，開始沉積C層薄膜，脈沖激光的頻率為1～10Hz，沉積時間為4～15min，沉積結(jié)束后，保溫退火10min～30min，讓Fe原子擴散至C層中，自然冷卻至室溫，得到具有白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄 膜材料，其特征在于，所述Fe靶純度為99.99%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄 膜材料，其特征在于，所述C靶純度為99.9"5/。。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)傳感器和光電器件材料技術(shù)領(lǐng)域的激光脈沖沉積法制備白光光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。將Si(100)基片、高純C靶以及Fe靶放入激光脈沖沉積設(shè)備的真空鍍膜室內(nèi)，抽真空至小于8×10^-4Pa后，加熱Si基片至350℃～450℃，再用KrF激光器脈沖轟擊Fe靶，沉積Fe層薄膜，之后用KrF激光器脈沖轟擊高純C靶，沉積C層薄膜，沉積結(jié)束后，保溫退火10min～30min，讓Fe原子擴散至C層中，自然冷卻至室溫，得到摻鐵碳薄膜材料。采用激光脈沖沉積方法制備摻鐵碳薄膜，方法簡單，工藝穩(wěn)定，可控性好，具有很高的制備效率。而且在薄膜沉積過程中，避免使用易燃易爆有毒的物質(zhì)，附合環(huán)保要求。
文檔編號H01L31/18GK101550530SQ200910081398
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者萬蔡華, 吳利華, 歆 張, 章曉中, 高熙禮 申請人:清華大學(xué)