CN105200518B - 一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法 - Google Patents
一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出的一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法，针对目前物理气相沉积结合气氛退火方法制备的PbSe薄膜过程中，不能精确控制氧的氧的掺入量与深度分布的问题，运用离子束辅助沉积技术，采用静态混合方式，在薄膜生长完成后对其进行氧离子辅助轰击表面，然后对薄膜进行后续的真空退火，制备出光敏特性良好、稳定的PbSe多晶薄膜。该方法能够精确地调控氧离子的注入剂量与深度分布，并将氧的掺入与多晶化过程分离以增加过程优化的自由度。通过对所制备的样品进行光学I‑V特性、SEM、XRD等初步表征，表明该方法制备的PbSe多晶薄膜具有良好的光电性能与表面特性。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域,涉及真空镀膜技术和红外光电探测技术，具体涉及一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法。
背景技术
硒化铅(PbSe)是一种重要的窄禁带(禁带宽度0.28eV)半导体材料。近年来，基于PbSe多晶材料的非制冷中红外探测器越来越受到人们的关注。该探测器可实现室温下响应中红外辐射，具有响应速度快、灵敏度高等优点，基于此技术的探测器件可除去制冷系统，实现器件的小型化与便携化设计。
目前，该材料的制备主要采用化学合成与气相沉积等方式。化学沉积的方式简单易行、工艺较为成熟，但是无法与CMOS工艺兼容，限制了其在光敏阵列集成方面的应用。而气相沉积法制备PbSe多晶薄膜需要对材料进行后续的敏化处理并产生特定的多晶结构。国内外在PbSe多晶薄膜的制备工艺的研究大多都集中在气相沉积与气氛退火和化学浴合成的方式。
离子束辅助沉积是一种结合了离子注入技术和薄膜沉积技术的薄膜改性技术。本发明提供一种基于离子束辅助沉积与真空退火的PbSe多晶薄膜的制备方法，可在真空沉积阶段将氧离子掺入薄膜中，采用氧离子注入的方式精确控制氧的掺入剂量与深度，真空退火使得材料进行重结晶，得到具有一定晶体结构与形貌的多晶薄膜。该方法还将氧的掺入与多晶化过程分离，可实现两个过程独立的参数优化，具有操作简单、掺杂剂量与深度精确调控、薄膜性质稳定等优点。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法，针对热蒸镀法制备的硒化铅薄膜，采用氧离子辅助沉积工艺在薄膜生长过程中掺入氧，并对薄膜进行真空退火完成多晶薄膜的制备，可用于制造对中红外波段灵敏度较高的非制冷光子探测器。
技术方案
一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在无水乙醇和丙酮中分别超声清洗Si(100)衬底并烘干，将Si(100)衬底和PbSe粉末分别置于真空室和坩埚中，在Si(100)衬底和PbSe粉末之间设有挡板，采用热蒸镀法在Si(100)衬底表面生长一层PbSe薄膜；热蒸镀系统抽真空≤3×10-4Pa，电流由0Α增加至17Α，每隔3min增加0.25A，待分子束的蒸发速率为时，将遮挡衬底的挡板移开，开始生长PbSe薄膜；
步骤2：当生长的PbSe薄膜达到所需厚度时，保持真空冷却，得到PbSe薄膜；
步骤3：在真空度≤6.5×10-4Pa的离子束辅助沉积环境下，采用氧离子辅助轰击PbSe薄膜表面，氧离子能量≤500eV，平均束流密度≤120μA/cm2，时间为1～5min；
步骤4：对轰击后的薄膜进行真空退火，得到硒化铅多晶薄膜；其中：真空度不低于1×10-3Pa，温度不高于450℃，退火时间大于30min，升温速率不低于15℃/min。
所述对Si(100)衬底在无水乙醇和丙酮中分别超声清洗时间为15min～20min。
所述Si(100)衬底厚度不小于1mm。
所述步骤1生长的PbSe薄膜的PbSe粉末的纯度≥99.99％。
所述PbSe薄膜所需厚度为0.5～1μm。
所述Si(100)衬底温度稳定在120～200℃之间。
有益效果
本发明提出的一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法，针对目前物理气相沉积结合气氛退火方法制备的PbSe薄膜过程中，不能精确控制氧的氧的掺入量与深度分布的问题，运用离子束辅助沉积技术，采用静态混合方式，在薄膜生长完成后对其进行氧离子辅助轰击表面，然后对薄膜进行后续的真空退火，制备出光敏特性良好、稳定的PbSe多晶薄膜。该方法能够精确地调控氧离子的注入剂量与深度分布，并将氧的掺入与多晶化过程分离以增加过程优化的自由度。通过对所制备的样品进行光学I-V特性、SEM、XRD等初步表征，表明该方法制备的PbSe多晶薄膜具有良好的光电性能与表面特性。
本发明的优点是：
1.可通过控制离子能量、束流密度等参数精确调控氧离子的注入剂量与深度分布，可通过后续退火过程形成不同的多晶结构，可进一步优化材料的光电性能。
2.采用静态混合方式而非动态混合方式进行离子辅助沉积，可有效降低由离子辅助沉积过程引入的吸收缺陷。
低能氧离子和较小的束流密度可减少电激活缺陷和其他吸收缺陷的形成，保障PbSe薄膜的稳定性。
附图说明
图1为本发明采用的装置结构示意图
1-坩埚，2-加热源，3-衬底架，4-PbSe薄膜，5-离子源，6-热蒸镀系统，7-离子束辅助沉积系统
图2为实施实例一得到的多晶薄膜的XRD图
图3为实施实例一得到的多晶薄膜的SEM图
图4为实施实例二得到的多晶薄膜的XRD图
图5为实施实例二得到的多晶薄膜的SEM图
图6为实施实例三得到的多晶薄膜的XRD图
图7为实施实例三得到的多晶薄膜的SEM图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
由于薄膜结构较块状材料疏松，且时效变化率较大，影响其工业应用，于是优化镀膜工艺显得尤为重要。本发明采用静态混合方式，即先用热蒸镀法在基板表面沉积一层薄膜，再用氧离子进行辅助轰击。本发明的特征在于采用与PbSe材料匹配良好的氧离子作为离子辅助沉积过程的离子源。氧离子作为轰击离子源，在对膜料分子进行沉积辅助的过程中，产生级联碰撞、能量沉积等物理效应，使膜层均匀致密、膜层与基板的结合更加牢固。同时，氧离子与膜料分子或原子还发生了复杂的化学反应如化学激活、产生新的化学键，氧元素的引入可提高PbSe薄膜对红外光波的灵敏度。可通过调节束流密度、离子能量等参数精确地调节注入剂量与深度分布，并进行后续的真空退火来改变薄膜的敏化特性。
制备步骤为：
1.制备前对基底在无水乙醇和丙酮中分别超声清洗15min～20min，再经去离子水清洗后烘干待用。将Si(100)衬底和PbSe粉末(纯度≥99.99％)分别置于真空室的衬底架3和坩埚1中，热蒸镀系统6抽真空至≤3×10-4Pa,并用挡板遮住衬底。
2.加热源2为钨丝，电流由0Α增加至17Α，每隔3min增加0.25A，待显示面板显示分子束的蒸发速率为时，将遮挡衬底的挡板移开，开始生长。
3.当薄膜生长达到预期厚度(0.5～1μm)时结束生长，保持真空冷却，得到PbSe薄膜4。
4.离子束辅助沉积系统7抽真空至≤6.5×10-4Pa。
5.开启氧离子源5，引出低能氧离子束(100～500eV)，对上述过程制得的PbSe薄膜4进行轰击，其中氧离子束流密度≤120μA/cm2，时间为1～5min。
6.将制备的PbSe薄膜进行真空退火处理，控制多晶的生长，退火温度不高于450℃，退火时间为30～60min，气压不高于1×10-3Pa，升温速率不低于15℃/min。
实施实例一：
(1)使用无水乙醇和丙酮对Si(100)基底分别进行超声清洗15min，再经去离子水清洗后烘干待用。将Si(100)衬底和PbSe粉末(纯度≥99.99％)分别置于真空室的衬底架3和坩埚1中，热蒸镀系统6抽真空至3×10-4Pa，并用挡板遮住衬底。增加加热源的电流，待分子束蒸发速率达到重置薄膜厚度，去掉挡板，开始薄膜生长，基底温度稳定在120℃。当厚度到达500nm后，将加热电流调节到0A并关闭加热系统，暂停薄膜生长。启动离子源5，对薄膜进行氧离子轰击，离子能量500eV，束流密度100μA/cm2，1min后结束轰击。使用挡板遮挡薄膜，重新将增加加热源电流，待面板显示的蒸发速率达到后，移开挡板，重新开始薄膜生长，待薄膜厚度到达1μm时，将加热电流调节到0A并关闭加热系统，停止薄膜生长。
(2)将上述步骤(1)得到的薄膜进行真空退火，真空度为1×10-3Pa，退火温度为450℃，退火时间为60min。得到的薄膜经过测试为高质量的PbSe多晶薄膜。
实施实例二：
(1)使用无水乙醇和丙酮对Si(100)基底分别进行超声清洗15min，再经去离子水清洗后烘干待用。将Si(100)衬底和PbSe粉末(纯度≥99.99％)分别置于真空室的衬底架3和坩埚1中，热蒸镀系统6抽真空至3×10-4Pa，并用挡板遮住衬底。增加加热源的电流，待分子束蒸发速率达到重置薄膜厚度，去掉挡板，开始薄膜生长，基底温度稳定在120℃。待薄膜厚度到达1μm时，将加热电流调节到0A并关闭加热系统，停止薄膜生长。开启离子源5，上述薄膜进行氧离子轰击，离子能量500eV，束流密度100μA/cm2，1min后结束轰击。
(2)将上述步骤(1)得到的薄膜进行真空退火，真空度为1×10-3Pa，退火温度为450℃，退火时间为60min。得到的薄膜经过测试为高质量的PbSe多晶薄膜。
实施实例三：
(1)使用无水乙醇和丙酮对Si(100)基底分别进行超声清洗15min，再经去离子水清洗后烘干待用。将Si(100)衬底和PbSe粉末(纯度≥99.99％)分别置于真空室的衬底架3和坩埚1中，热蒸镀系统6抽真空至3×10-4Pa，并用挡板遮住衬底。增加加热源的电流，待分子束蒸发速率达到重置薄膜厚度，去掉挡板，开始薄膜生长，基底温度稳定在120℃。待薄膜厚度到达1μm时，将加热电流调节到0A并关闭加热系统，停止薄膜生长。开启离子源5，上述薄膜进行氧离子轰击，离子能量500eV，束流密度100μA/cm2，1min后结束轰击。
(2)将上述步骤(1)得到的薄膜进行气氛退火，所使用的气体为Ar气，退火温度为450℃，退火时间为60min，气压稳定在0.5MPa。得到的薄膜经过测试为高质量的PbSe多晶薄膜。
Claims (1)
1.一种基于氧离子束辅助沉积制备硒化铅多晶薄膜的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在无水乙醇和丙酮中分别超声清洗Si(100)衬底并烘干，将Si(100)衬底和PbSe粉末分别置于真空室和坩埚中，在Si(100)衬底和PbSe粉末之间设有挡板，采用热蒸镀法在Si(100)衬底表面生长一层PbSe薄膜；热蒸镀系统抽真空≤3×10-4Pa，电流由0A增加至17A，每隔3min增加0.25A，待分子束的蒸发速率为时，将遮挡衬底的挡板移开，开始生长PbSe薄膜；
步骤2：当生长的PbSe薄膜达到所需厚度时，保持真空冷却，得到PbSe薄膜；
步骤3：在真空度≤6.5×10-4Pa的离子束辅助沉积环境下，采用氧离子辅助轰击PbSe薄膜表面，氧离子能量≤500eV，平均束流密度≤120μA/cm2，时间为1～5min；
步骤4：对轰击后的薄膜进行真空退火，得到硒化铅多晶薄膜；其中：真空度不低于1×10-3Pa，温度不高于450℃，退火时间大于30min，升温速率不低于15℃/min；
所述对Si(100)衬底在无水乙醇和丙酮中分别超声清洗时间为15min～20min；
所述Si(100)衬底厚度不小于1mm；
所述步骤1生长的PbSe薄膜的PbSe粉末的纯度≥99.99％；
所述PbSe薄膜所需厚度为0.5～1μm。
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