CN104962872A - 一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，通过在非晶硅薄膜里加入钌元素实现对非晶硅薄膜光学带隙的调控。本发明通过在非晶网络中引入贵金属钌，在较低钌含量的情况下即可大幅度调控非晶硅薄膜的光学带隙。本发明可用于硅基薄膜叠层太阳能电池和红外探测器件等领域。

Description

一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法
技术领域
本发明属于硅基非晶半导体薄膜材料与器件技术领域，涉及调控非晶硅薄膜光学带隙的方法。
背景技术
作为一种重要的光电材料， 非晶硅（a-Si）以其光吸收率高、禁带宽度可调、 电阻温度系数较大、可大面积低温（< 400℃）成膜、制备工艺简单且与Si半导体工艺兼容等优点，在太阳能电池、红外成像、液晶显示等领域得到了广泛应用。
本征非晶硅薄膜的光学带隙约为1.7eV，对于能量小于1.7eV的光子，其吸收率会急剧下降。与本征非晶硅薄膜相比，通过掺杂或合金化得到的能带改性窄带隙非晶硅薄膜，能够更加有效地吸收能量较低的光子，因而在叠层太阳能电池与红外探测器等领域有着重要的应用。
为了降低非晶硅薄膜的光学带隙，通常将锗（Ge）掺入薄膜形成硅锗合金薄膜，其光学带隙随锗含量的增加而降低。然而，由于锗本身的带隙为0.66eV，硅锗合金薄膜的光学带隙不可能降低到这一数值之下，即使当薄膜中锗含量高达95%时，其光学带隙最多下降至0.78eV左右。并且，由于锗的价格较高，提高硅锗合金薄膜中的锗含量，虽然能够获得较低的光学带隙，但同时会大幅增加薄膜的制造成本。
发明内容
本发明的目的是提供了一种新的调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，通过在非晶网络中引入贵金属钌，在较低钌含量的情况下即可大幅度调控非晶硅薄膜的光学带隙。
本发明所提出的技术问题是这样解决的：
一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，通过在非晶硅薄膜里加入钌元素实现对非晶硅薄膜光学带隙的调控。
进一步地，本发明中，采用射频磁控溅射硅钌复合靶材来制备非晶硅钌合金薄膜，所述硅钌复合靶材由纯硅靶和镶嵌在纯硅靶表面的纯钌块构成，通过改变硅钌复合靶材中的硅和钌的面积之比来调控非晶硅钌合金薄膜中钌含量。
进一步地，本发明中，纯钌块与纯硅靶溅射轨迹的面积之比A，0 %＜A＜8%。
具体步骤如下：
步骤1：对衬底基片进行清洗：分别用丙酮、乙醇溶液和去离子水进行超声清洗，使基片表面洁净。
步骤2：制备硅钌复合靶材：纯钌块对称镶嵌于纯硅靶表面，通过改变硅钌复合靶材中的硅和钌的面积之比来调控非晶硅钌合金薄膜中钌含量。
步骤3：采用射频磁控溅射方法制备非晶硅钌合金薄膜：首先将沉积室抽至高真空并加热基片，然后预溅射，最后沉积非晶硅钌合金薄膜。
步骤4：通过光谱椭楄技术，获得步骤3得到的薄膜的光学带隙。
进一步地，本发明中，步骤2中采用硅钌复合靶的直径100mm，厚度3mm，纯钌块与纯硅靶溅射轨迹的面积之比A，0 %＜A＜8%。
进一步地，本发明中，步骤3中射频磁控溅射本底真空为10-4Pa，基片温度为300℃，溅射功率为200W。
进一步地，本发明中，步骤3中使用机械泵抽真空至3Pa以下，再使用分子泵抽真空至10-4Pa以下，并加热基片至300℃，预热射频匹配器和气体流量计5～6min，通入氩气，调节气流量为20sccm，沉积室气压为0.50Pa，调节射频功率为200W，预溅射10min，转动工件位置，维持氩气流量为20sccm，此时沉积室气压为0.50Pa，开始溅射沉积非晶硅钌合金薄膜，时间为0.5h。
本发明提供的调控非晶硅薄膜光学带隙的方法具有以下优点：
非晶硅钌合金薄膜在相对较低的钌含量下即可获得较窄的光学带隙，具有成本低、光学带隙可调范围大的优点。本发明可用于硅基薄膜叠层太阳能电池和红外探测器件等领域。
附图说明
图1为本发明中硅钌复合靶的结构示意图；
图2为本发明制备的薄膜的光学带隙与钌含量的关系图。
图中附图标记为：1-纯钌块，2-纯硅靶。
具体实施方式
本发明主要通过采用射频磁控溅射方法溅射硅钌复合靶形成非晶硅钌合金薄膜，通过调控硅钌复合靶中硅/钌面积之比来调控薄膜钌含量，从而达到调节光学带隙的目的。
实施例：
步骤1：采用K9玻片作为基片。使用洗涤剂擦试基片，并用去离子水冲洗。把基片放入盛有丙酮（分析纯）的容器中，将该容器放入超声清洗仪中，超声清洗15min，然后用去离子水冲洗基片。基于同样的方法，继续依次使用乙醇（分析纯）和去离子水清洗基片。将清洗好的基片放入盛有去离子水的容器中。
步骤2：采用硅钌复合靶（直径100mm，厚度3mm），数颗纯钌块对称镶嵌于硅靶的溅射轨迹上。钌与硅靶溅射轨迹面积之比A，0 %＜A＜8%。
步骤3：使用机械泵抽真空至3Pa以下，再使用分子泵抽真空至10-4Pa以下，并加热基片至300℃。预热射频匹配器和气体流量计约5～6min。通入氩气，调节气流量为20sccm，沉积室气压为0.50Pa，调节射频功率为200W，预溅射10min。转动工件位置，维持氩气流量为20sccm，此时沉积室气压为0.50Pa，开始溅射沉积非晶硅钌合金薄膜，时间为0.5h。
步骤4：通过光谱椭楄技术，获得步骤3得到的薄膜的光学带隙。
使用光谱椭偏仪测得非晶硅钌合金薄膜的椭楄参数，并通过建立光学模型拟合计算得到的非晶硅钌合金薄膜光学带隙。
改变钌块与硅靶溅射轨迹面积之比，钌与硅靶溅射轨迹面积之比A，0 %＜A＜8%，其他步骤不变，制备得到的非晶硅钌合金薄膜的光学带隙如图2所示。
非晶硅钌合金薄膜光学带隙的测量，可以采用光谱椭偏仪，首先测量薄膜的椭偏参数，并通过建模拟合计算等，得到薄膜的光学参数，进而通过计算可以得到薄膜的光学带隙。
薄膜消光系数k可由以下公式求得：
 QUOTE                                                                      (1)
其中：ε 1 和ε 2分别为介电系数的实部和虚部，由光谱椭偏仪软件计算得到。
薄膜吸收系数a可由以下公式求得：
 QUOTE                                   (2)
其中：λ为波长。
薄膜光学带隙E g 可由以下公式求得：
 QUOTE                          (3)
其中B为常数，hυ为入射光子能量。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，通过在非晶硅薄膜里加入钌元素实现对非晶硅薄膜光学带隙的调控。
2.根据权利要求1所述的一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，采用射频磁控溅射硅钌复合靶材来制备非晶硅钌合金薄膜，所述硅钌复合靶材由纯硅靶和镶嵌在纯硅靶表面的纯钌块构成，通过改变硅钌复合靶材中的硅和钌的面积之比来调控非晶硅钌合金薄膜中钌含量。
3.根据权利要求2所述的一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，纯钌块与纯硅靶溅射轨迹的面积之比A，0 %＜A＜8%。
4.根据权利要求3所述的一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：对衬底基片进行清洗：分别用丙酮、乙醇溶液和去离子水进行超声清洗，使基片表面洁净；
步骤2：制备硅钌复合靶材：纯钌块对称镶嵌于纯硅靶表面，通过改变硅钌复合靶材中的硅和钌的面积之比来调控非晶硅钌合金薄膜中钌含量；
步骤3：采用射频磁控溅射方法制备非晶硅钌合金薄膜：首先将沉积室抽至高真空并加热基片，然后预溅射，最后沉积非晶硅钌合金薄膜；
步骤4：通过光谱椭楄技术，获得步骤3得到的薄膜的光学带隙。
5.根据权利要求4所述的一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，步骤2中采用硅钌复合靶的直径100mm，厚度3mm，纯钌块与纯硅靶溅射轨迹的面积之比A，0 %＜A＜8%。
6.根据权利要求4所述的一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，步骤3中射频磁控溅射本底真空为10-4Pa，基片温度为300℃，溅射功率为200W。
7.根据权利要求6所述的一种调控非晶硅薄膜光学带隙的方法，其特征在于，步骤3中使用机械泵抽真空至3Pa以下，再使用分子泵抽真空至10-4Pa以下，并加热基片至300℃，预热射频匹配器和气体流量计5～6min，通入氩气，调节气流量为20sccm，沉积室气压为0.50Pa，调节射频功率为200W，预溅射10min，转动工件位置，维持氩气流量为20sccm，此时沉积室气压为0.50Pa，开始溅射沉积非晶硅钌合金薄膜，时间为0.5h。
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