CN101245442A - 多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

一种多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法。该方法包括：将衬底与铟源、镓源、锑源蒸发源置入真空镀膜系统的钟罩内抽真空；将衬底均匀加热至200－600℃之间，并保持这一衬底温度；同时打开锑源、铟源、镓源蒸发源的加热电源，分别控制其蒸发温度，锑源加热至300－500℃之间，铟源加热至400－1200℃之间，镓源加热至500－1300℃之间，使其各自蒸发，可分别制备出锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)或铟镓锑(InGaSb)等多晶化合物半导体薄膜。通过调节锑源、镓源和铟源等蒸发源温度，控制各元素的蒸发速率，可得到不同比例的铟镓锑(InGaSb)类薄膜材料，从而调节材料的禁带宽度。通过移动衬底或改变蒸发源位置，可提高薄膜的均匀性用以制备大面积半导体功能器件。

Description

多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法

【技术领域】

本发明属于制备大面积化合物半导体薄膜材料和器件的技术领域，特别是一种在玻璃或其他廉价衬底上进行多元共蒸发制备III-V族化合物半导体铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的方法，该方法也可以制备合金薄膜材料与器件。

【背景技术】

热光伏技术是将受热高温热辐射体的能量通过半导体p/n结电池直接转换成电能的技术。上世纪60年代，美国麻省理工学院的研究人员给出了完整的热光伏系统的原理和概念，但限于当时的技术条件，一直处于理论研究阶段。直到上世纪90年代初期，研制出了低禁带的锑化镓(GaSb)电池，热光伏系统的一些优点才得到初步验证。热光伏系统主要的优点有：理论效率较高，噪音低，无移动部件，可便携，可靠性高，高体积比功率，高重量比功率，可将热能利用和发电结合在一起等。

目前，最具应用前景的热光伏电池材料是铟镓锑(InGaSb)材料，制备方法包括在掺杂的单晶或多晶锑化镓(GaSb)基片上，通过扩散的方法形成p/n结；或者在单晶锑化镓(GaSb)衬底上通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)的方法制备铟镓锑(InGaSb)p/n结薄膜。这些方法制备的铟镓锑(InGaSb)材料，都是属于体材料范围，厚度在200μm以上，需要耗费大量的原材料。

【发明内容】

本发明目的是解决现有方法制备的铟镓锑材料属于体材料，需要耗费大量昂贵的原材料的问题，提供一种在玻璃或其他廉价衬底上进行多元共蒸发制备III-V族化合物半导体铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的方法。

本发明旨在在玻璃或其他廉价衬底上实现不同的In/Ga比的多晶铟镓锑(InGaSb)薄膜的制备，使实际的有效层厚度不超过10μm，能够节省昂贵的原材料，同时可实现大面积沉积，制备大面积薄膜半导体器件。

本发明提供的多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法，包括：

第一、将清洗干净并干燥的衬底与铟源、镓源、锑源蒸发源置入真空镀膜系统的钟罩内抽真空；

第二、待真空镀膜系统内的气压降到3.0×10^-3Pa以下，将衬底均匀加热至200-600℃之间，并保持这一衬底温度；

第三、同时打开铟源、镓源、锑源蒸发源的加热电源，分别控制锑源、镓源和铟源的蒸发温度，在锑源蒸发温度(300-500℃)设定基础上，调节镓源蒸发温度(400-1200℃)和铟蒸发源温度(500-1300℃)，使其对应于不同的镓源和铟源蒸发速率。待蒸发源温度恒定后，进行铟镓锑多晶薄膜的共蒸发或分步蒸发，当材料为锑化镓时，材料的禁带宽度为0.72eV，当材料为锑化铟时，材料的禁带宽度为0.18eV，调节镓源和铟源的不同蒸发温度，可以获得不同的镓源和铟源蒸发速率，得到不同镓含量的铟镓锑类多晶薄膜，从而调节薄膜材料的禁带宽度在0.18eV至0.72eV之间。

上述第三步通过分别控制锑源、镓源和铟源等蒸发源温度，使其各自蒸发，可分别制备出锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)或铟镓锑(InGaSb)等多晶化合物半导体薄膜。通过调节锑源、镓源和铟源等蒸发源温度，控制各元素的蒸发速率，可得到不同比例的铟镓锑(InGaSb)类薄膜材料，从而调节材料的禁带宽度。

所述的蒸发源采用坩锅、蒸发舟、或线性条形源，通过电阻或高频加热方式对蒸发源进行加热，使各个元素蒸发；蒸发源内设有耐高温热电偶作为温度传感器，对蒸发源进行温度控制。

蒸发源由高熔材料钨、钼、钽、氧化铝、二氧化硅、氮化硼、碳化硅、或石墨制成。所述的蒸发源上方设置有可移动挡板，用于控制蒸发元素的蒸发量。蒸发源可以放置在衬底之下，由下至上将元素蒸发到衬底上；也可以将蒸发源放置在衬底之上，由上至下将元素蒸发到衬底上。通过移动衬底或改变蒸发源位置(即调节蒸发源与衬底之间的垂直距离，并调节蒸发源与衬底托盘中心法线的夹角)，可提高薄膜的均匀性用以制备大面积半导体功能器件，如大面积窄带隙热光伏器件等。

所述的衬底材料为廉价的材料如玻璃、陶瓷、金属或高分子聚合物等，刚性和柔性的均可。

衬底由加热器加热，温度可调节在室温200-600℃范围内。

本发明的主要特点是：

1)本发明是一种多元共蒸发制备III-V族化合物半导体铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的制备方法。是在真空条件下蒸发铟(In)、镓(Ga)、锑(Sb)沉积在衬底上；在镀膜室里设置锑蒸发源、镓蒸发源和铟蒸发源的位置(调节蒸发源与衬底之间的垂直距离)和角度(调节蒸发源与衬底托盘中心法线的夹角)，使蒸发膜材能有效、均匀地沉积在衬底上，并提高原材料的利用率；通过分别控制锑源、镓源和铟源等蒸发源温度，使其各自蒸发，可分别制备出锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)和铟镓锑(InGaSb)等多晶化合物半导体薄膜

2)通过设定锑源、镓源和铟源等蒸发源温度，控制各元素的蒸发速率；调节蒸发源上方有挡板，通过每个蒸发源上的挡板打开和关闭，可控制元素的种类和蒸发量。可得到不同比例的铟镓锑(InGaSb)类薄膜材料，从而调节材料的禁带宽度。

3)本发明把衬底放在旋转的圆盘上，在制备薄膜过程中使其匀速旋转，使得制备出的薄膜厚度均匀。

4)本发明通过移动衬底或改变蒸发源位置提高薄膜的均匀性，可制备大面积半导体功能器件，如大面积窄带隙热光伏器件等。

本发明的有益效果是：

实现了在玻璃或其他廉价衬底上，通过多元共蒸发方法，实现可调节禁带宽度的铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的制备，是一种低成本制备铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜材料的方法。

本发明可制备大面积化合物半导体薄膜材料和器件，也可以制备合金薄膜材料与器件，可应用于相关的科研与生产单位。

【附图说明】

图1为共蒸发制备铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的真空系统结构示意简图。

【具体实施方式】

本发明使用的共蒸发制备铟镓锑(InGaSb)多晶薄膜的真空系统结构见图1，图中零件分别是：1.真空系统钟，2.加热丝，3.衬底，4.挡板，5.锑蒸发源，6.锑蒸发源挡板，7.铟蒸发源，8.铟蒸发源挡板，9.镓蒸发源，10.镓蒸发源挡板，11.旋转托盘，12.抽气孔。

本发明制备的多晶薄膜厚度均匀，厚度通过沉积时间(从挡板4的打开计时至挡板4关闭)控制，薄膜的结构特性和光学特性良好。

设置锑蒸发源5、铟蒸发源7和镓蒸发源8的位置(调节蒸发源与衬底之间的垂直距离)和角度(调节蒸发源与衬底托盘中心法线的夹角)，使蒸发膜材能有效、均匀地沉积在衬底上，并提高原材料的利用率；衬底加热采用热丝2加热的方式；把衬底3放在旋转的圆盘上，在制备薄膜过程中使其匀速旋转(速率为30-150转/分钟)，使得制备出的薄膜厚度均匀。控制锑蒸发源挡板6、铟蒸发源挡板8和镓蒸发源挡板10，可分别制备出锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)和铟镓锑(InGaSb)等多晶化合物半导体薄膜。

实施例1

将玻璃衬底超声清洗后，用去离子水冲洗数遍，再用氮气吹干水汽，置入高真空镀膜系统的钟罩内衬底3位置，用前级泵将真空室预抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空镀膜系统内的气压降到3.0×10^-3Pa以下，用加热丝2将衬底3均匀加热至300℃之间，并保持这一衬底温度；旋转圆盘11，使其匀速旋转(速率为45转/分钟)；在锑源5蒸发温度(370℃)设定基础上，调节镓源9蒸发温度(900℃)，打开锑源和镓源的加热电源，直至其温度达到设定温度；待锑源5和镓源9的温度达到设定值后，同时打开锑蒸发源挡板6和镓蒸发源挡板10，稳定2分钟；打开衬底下方的挡板4，开始GaSb薄膜的蒸发，并开始计时，60分钟后，关闭衬底下方的挡板4，关闭锑源5和镓源9的加热电源，关闭加热丝2的加热电源；待衬底温度降至100℃以下后，关闭高真空阀，将样品取出。该薄膜为多晶薄膜，厚度为1.3-1.5μm，材料的禁带宽度为0.72eV。

实施例2

将玻璃衬底超声清洗后，用去离子水冲洗数遍，再用氮气吹干水汽，置入高真空镀膜系统的钟罩内衬底3位置，用前级泵将真空室预抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空镀膜系统内的气压降到3.0×10^-3Pa以下，用加热丝2将衬底3均匀加热至300℃之间，并保持这一衬底温度；旋转圆盘11，使其匀速旋转(速率为45转/分钟)；在锑源5蒸发温度(370℃)设定基础上，调节铟源7蒸发温度(600℃)，打开锑源和铟源的加热电源，直至其温度达到设定温度；待锑源5和铟源7的温度达到设定值后，同时打开锑蒸发源挡板6和铟蒸发源挡板8，稳定2分钟；打开衬底下方的挡板4，开始InSb薄膜的蒸发，并开始计时，90分钟后，关闭衬底下方的挡板4，关闭锑源5和铟源7的加热电源，关闭加热丝2的加热电源；待衬底温度降至100℃以下后，关闭高真空阀，将样品取出。该薄膜为多晶薄膜，厚度为1.4-1.6μm，材料的禁带宽度为0.18eV。

实施例3

将玻璃衬底超声清洗后，用去离子水冲洗数遍，再用氮气吹干水汽，置入高真空镀膜系统的钟罩内衬底3位置，用前级泵将真空室预抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空镀膜系统内的气压降到3.0×10^-3Pa以下，用加热丝2将衬底3均匀加热至350℃之间，并保持这一衬底温度；旋转圆盘11，使其匀速旋转(速率为45转/分钟)；在锑源5蒸发温度(370℃)设定基础上，调节镓源9蒸发温度(900℃)，调节铟源7蒸发温度(600℃)，打开锑源5、镓源9和铟源7的加热电源，直至其温度达到设定温度；待锑源5、镓源9和铟源7的温度达到设定值后，同时打开锑蒸发源挡板6、镓蒸发源挡板10和铟蒸发源挡板8，稳定2分钟；打开衬底下方的挡板4，开始Ga_xIn_1-xSb薄膜的蒸发，并开始计时，60分钟后，关闭衬底下方的挡板4，关闭锑源5、镓源9和铟源7的加热电源，关闭加热丝2的加热电源；待衬底温度降至100℃以下后，关闭高真空阀，将样品取出。该薄膜为多晶薄膜，厚度为1.3-1.5μm，材料的禁带宽度为0.18eV至0.72eV之间。

通过调节锑源、镓源和铟源的不同蒸发温度，如锑源蒸发温度改为300、或500℃，镓源蒸发温度改为400、500、700、1000、或1200℃，铟源蒸发温度改为500、800、1000、1100或1300℃等同样可以获得所需的铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜。

Claims (7)

1、一种多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法，其特征在于该方法包括：

第一、将清洗干净并干燥的衬底与铟源、镓源、锑源蒸发源置入真空镀膜系统的钟罩内抽真空；

第二、待真空镀膜系统内的气压降到3.0×10^-3Pa以下，将衬底均匀加热至200-600℃之间，并保持这一衬底温度；

第三、同时打开铟源、镓源、锑源蒸发源的加热电源，分别控制锑源、镓源和铟源的蒸发温度，在锑源蒸发温度300-500℃的设定基础上，调节镓源蒸发温度400-1200℃和铟蒸发源温度500-1300℃，使其对应于不同的镓源和铟源蒸发速率；待蒸发源温度恒定后，进行铟镓锑多晶薄膜的共蒸发或分步蒸发，当材料为锑化镓时，材料的禁带宽度为0.72eV，当材料为锑化铟时，材料的禁带宽度为0.18eV，调节镓源和铟源的不同蒸发温度，得到不同镓含量的铟镓锑类多晶薄膜，从而调节薄膜材料的禁带宽度在0.18eV至0.72eV之间。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于第三步得到的铟镓锑类多晶薄膜为锑化镓、锑化铟或铟镓锑多晶薄膜。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的蒸发源采用坩锅、蒸发舟、或线性条形源，通过电阻或高频加热方式对蒸发源进行加热，使各个元素蒸发；蒸发源内设有耐高温热电偶作为温度传感器，对蒸发源进行温度控制。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的蒸发源由高熔材料钨、钼、钽、氧化铝、二氧化硅、氮化硼、碳化硅、或石墨制成。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的蒸发源上方设置有可移动挡板，用于控制蒸发元素的蒸发量。

6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的蒸发源放置在衬底之下，由下至上将元素蒸发到衬底上；或将蒸发源放置在衬底之上，由上至下将元素蒸发到衬底上。

7、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的衬底材料为玻璃、陶瓷、金属或耐高温的高分子聚合物。

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