CN101058484A - 一种p型掺氮的氧化亚铜薄膜材料及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料，其特征在于：该氧化亚铜薄膜材料中氮的掺杂浓度为1×1015cm－3～5×1019cm－3，材料的晶相结构为单一的氧化亚铜相，其分子式为Cu2O:N；该薄膜材料采用直流反应磁控溅射法制成，衬底为普通载波片，靶材是纯度为99.99％的紫铜圆片，工作气体和反应气体分别为氩气和氧气、氮气，气体纯度皆为99.999％，氧气与氮气的流量比为3∶2，沉积室内背底压强为1.2×10－3Pa～1.0Pa，衬底温度为常温至100℃，溅射电压为400V，电流为50mA，功率为20W，薄膜沉积时间为20分钟。同现有技术比较，本发明的优点是：掺氮能有效抑制了电子导电的N型氧化铜相的形成，同时能大幅提高薄膜材料的空穴浓度，具有空穴浓度高，电阻率低，制造工艺简单，无毒性，成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料及其制造方法。
背景技术
随着对环保型、可再生性能源的需求的进一步增加，人们对太阳能利用的兴趣迅速增加，特别是近年来，利用半导体薄膜材料把太阳能直接转化成电能的光伏转换技术吸引了很多人的关注。目前，太阳能电池用的材料除了硅材料外，还有铜铟硒、砷化镓、铜铟镓硒等，这些材料因原料十分昂贵，或因制作工艺复杂，或有毒性存在、环境污染严重等缺陷。
氧化亚铜是一种理想的光伏材料，其禁带宽度为2.14eV，与太阳光谱的极大值比较接近，因此在理论上具有很高的光电转换率，而且铜材料来源丰富，无毒无害，制造成本低。但是利用普通的薄膜制备方法很难获得纯的氧化亚铜相，因此氧化亚铜薄膜中或多或少地存在氧化铜相。由于氧化亚铜是P型空穴导电的半导体材料，而氧化铜是N型电子导电的半导体材料，因此氧化铜相的存在导致氧化亚铜薄膜内空穴浓度的降低，薄膜的电阻率较高，无法获得高的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种高空穴浓度的P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料及其制造方法，通过在反应直流磁控溅射沉积氧化亚铜薄膜时通入适量的氮气获得掺氮的氧化亚铜薄膜，不但可以抑制氧化铜相的出现，同时通过氮取代氧增加受主浓度，获得高空穴浓度的纯氧化亚铜相，大大改善了氧化亚铜薄膜的光电性能。用本方法制备的氧化亚铜薄膜具有空穴浓度高，电阻率低，制造工艺简单，无毒性，成本低等优点。
一种P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料，其特征在于：该氧化亚铜薄膜材料中掺有1015-1019cm-3的氮，材料的晶体结构为单一的氧化亚铜相，其分子式为Cu2O:N。
一种制造P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料的方法，其特征在于：该薄膜材料采用反应直流磁控溅射法制成，衬底为普通载波片，靶材是纯度为99.99％的紫铜圆片，工作气体和反应气体分别为氩气和氧气、氮气，气体纯度皆为99.999％，氧气与氮气的流量比为3∶2，沉积室内背底压强为1.2×10-3Pa～1.0Pa，当背底压强低于1.2×10-3Pa时，调节真空泵与沉积室之间的阀门，使沉积室内的压强为1.0Pa数量级，衬底温度为常温至100℃，溅射电压为400V，电流为50mA，功率为20W，薄膜沉积时间为20分钟。
同现有技术比较，本发明的突出优点是：掺氮能有效抑制电子导电的N型氧化铜相的形成，同时能大幅提高薄膜材料的空穴浓度，具有空穴浓度高，电阻率低，制造工艺简单，无毒性，成本低等优点。
附图说明
图1是衬底温度为室温时掺氮的氧化亚铜薄膜的晶体结构随氮气流量的变化分布图，图中的横坐标为衍射角2θ，纵坐标为衍射强度。
实验参数：氩气流量为80sccm，氧气流量和氮气流量之和为50sccm，沉积时间均为20分钟。从图1可见，当氮气流量小于15sccm时，薄膜中存在氧化铜相，当氮气流量为15sccm时，薄膜中氧化铜相基本消失，当氮气流量为20sccm，氧气流量为30sccm时，薄膜呈纯氧化亚铜相，氧化铜相完全消失。
图2是衬底温度为100℃时掺氮的氧化亚铜薄膜的晶体结构随氮气流量的变化图，其中的横坐标为衍射角2θ，纵坐标为衍射强度。
实验参数：氩气流量为80sccm，氧气流量与氮气流量之和为50sccm，氮气流量为小于25sccm，沉积时间为20分钟。从图2可见，当氮气流量小于15sccm时，薄膜中存在氧化铜相，当氮气流量为15sccm时，薄膜中氧化铜相基本消失，当氮气流量为20sccm，氧气流量为30sccm时，薄膜呈纯氧化亚铜相，氧化铜相完全消失。
具体实施方式
实施例1：
一种P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料，其分子式为Cu2O:N，其沉积工艺如下：1)靶材选用纯度为99.99％的紫铜圆片，厚度为3.6mm，直径为50mm，衬底为普通载波片，工作气体氩气和反应气体氮气、氧气的纯度均为99.999％；2)磁控溅射靶与衬底间的距离为5cm，沉积室背底压强为1.2×10-3Pa。沉积时衬底温度为常温，氧气、氮气、氩气三者的流量分别为20、30、80sccm，通过调节阀门控制沉积室内的工作压强为1.0Pa；3)溅射电压为400V，电流为50mA，功率为20W；薄膜沉积时间为20分钟。
霍尔效应测试测试结果表明，该薄膜材料的电阻率为1.2Ω·cm，空穴浓度为3.8×1019/cm3。
实施例2：
一种P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料，其特征在于：该薄膜材料是掺氮的氧化亚铜，其分子式为Cu2O:N。其沉积工艺如下：1)靶材选用纯度为99.99％的紫铜圆片，厚度为3.6mm，直径为50mm，衬底为普通载波片，工作气体氩气和反应气体氮气、氧气的纯度均为99.999％。2)磁控溅射靶与衬底间的距离为5cm，沉积室背底压强为1.2×10-3Pa。沉积时衬底温度为100℃，氧气、氮气、氩气三者的流量分别为20、30、80sccm，通过调节阀门控制沉积室内的工作压强为1.0Pa；3)溅射电压为400V，电流为50mA，功率为20W；薄膜沉积时间为20分钟。测试结果表明，该薄膜材料的电阻率为4.07Ω·cm，空穴浓度为4.0×1019cm-3。
Claims (2)
1.一种P型掺氮的氧化亚铜薄膜材料，其特征在于：该氧化亚铜薄膜材料中含有1015-1019cm-3的氮，材料的晶相结构为单一的纯氧化亚铜相，其分子式为Cu2O:N。
2.一种制造权利要求1所述的氧化亚铜薄膜材料方法，其特征在于：该薄膜材料采用反应直流磁控溅射法制成，衬底为普通载波片，靶材是纯度为99.99％的紫铜圆片，工作气体和反应气体分别为氩气和氧气、氮气，气体纯度皆为99.999％，氧气与氮气的流量比为3∶2，沉积室内背底压强为1.2×10-3Pa～1.0Pa，当背底压强低于1.2×10-3Pa时，调节真空泵与沉积室之间的阀门，使沉积室内的压强为1.0Pa数量级，衬底温度为常温至100℃，溅射电压为400V，电流为50mA，功率为20W，薄膜沉积时间为20分钟。
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