CN113594289A - 一种PbS同质结器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微电子及光电子技术领域，公开了一种PbS同质结器件及其制备方法，其中的PbS同质结器件包括衬底以及位于该衬底上的N型PbS薄膜(3)、P型PbS薄膜(5)，N型PbS薄膜(3)与衬底的上表面接触；P型PbS薄膜(5)与N型PbS薄膜(3)紧密连接，该P型PbS薄膜(5)是通过对N型PbS薄膜(3)部分掺杂得到的，由此形成PbS同质PN结。本发明通过对器件的材料组成、结构及对应的器件制备方法的整体工艺流程设计等进行改进，利用N型PbS薄膜和P型PbS薄膜形成PbS同质PN结，得到一种新型的基于PbS的同质结器件，尤其可作为探测红外波段的光电探测器。

Description

一种PbS同质结器件及其制备方法
技术领域
本发明属于微电子及光电子技术领域，更具体地，涉及一种PbS同质结器件及其制备方法，能够得到基于硫族化合物膜的PN结。
背景技术
硫化铅(PbS)，作为最重要的第四至第六族半导体之一，近年来备受关注。PbS既可显示N型电导率又可显示P型电导率，直接带隙小(0.41eV)；特别地，PbS的大激发玻尔半径(18nm)，导致纳米尺寸结构中电子和空穴有强量子约束，所以根据有效质量模型，通过控制晶粒尺寸可以控制带隙的大小，从而使得其适用于各种各样的应用；PbS具有非常大的介电常数(相对介电常数17.2)，因此具有很强的静电屏蔽作用，所以本征PbS具有较长的载流子寿命(63μs)。
由于量子约束的效应，纳米晶无机材料已经被广泛用于研究太阳能电池、光电探测。而PbS是第四至六族最重要的化合物之一，对近红外波段有理想的响应度，故也已被用于研究用于探测红外波段。由此，制备性能优良的PbS半导体薄膜，以及设计基于PbS薄膜的光电探测器结构，成为了红外探测的技术关键点。
对于PbS薄膜制备方法，已经有很多相关研究，例如化学浴沉积、电化学沉积、微波辐射法、真空蒸发法等。其中，化学浴沉积法最为普及，但此法也存在一定问题，即在制膜过程中，热量通常从材料的外部到内部，导致温度的不均匀分布，从而消极影响了薄膜的致密性、均匀性、结晶性。磁控溅射则可以改善这种情况。相比于化学方法，磁控溅射在室温下便可进行，高速且低温，制成的薄膜致密性更好，成膜均匀性更好，膜结晶性更好，缺陷更少，结构更稳定。所以，磁控溅射在制备半导体薄膜方面具有很大的应用价值。
虽然磁控溅射相较于化学制备方法有上述优势，但现有技术中PbS薄膜的制备主要仍是化学浴沉积法，这主要是因为磁控溅射设备及PbS靶材成本略高，且可控的工艺参数多(如：溅射功率、溅射气压、溅射时间等)。虽然可控变量较多，但若进行充分的实验，优化好工艺参数，则制备出的PbS薄膜在结晶性、致密性、均匀性方面有望优于化学浴沉积方法。
另外，对于探测器结构，PN结是最常见的半导体结构之一，PN结具有单向导通性，是电子技术中许多器件所利用的特性，且具有灵敏度高、体小轻巧易于集成、线性特性好、热响应快等诸多优点，是光电探测领域常见的结构。目前，用于红外探测领域的PN结型探测器多采用异质结构，同质结结构较少出现。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种PbS同质结器件及其制备方法，其中通过对器件的材料组成、结构及对应的器件制备方法的整体工艺流程设计等进行改进，利用N型PbS薄膜和P型PbS薄膜形成PbS同质PN结，得到一种新型的基于PbS的同质结器件，可用于制备红外探测器。并且，本发明尤其可采用先磁控溅射再掺杂改型这一制备方法整体工艺流程设计，先采用磁控溅射法这一物理气相沉积工艺手段在衬底上生长N型PbS薄膜，再采用掺杂技术(尤其是磁场调控等离子体掺杂技术)，可控地、低损耗地掺杂一部分N型的PbS薄膜使之变为P型；相应得到的PbS同质结界面态少，并且，由于采用磁控溅射镀膜、磁控等离子体掺杂，故工艺可控性好，薄膜损耗少，有选择性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种PbS同质结器件，其特征在于，包括衬底以及位于该衬底上的N型PbS薄膜(3)、P型PbS薄膜(5)；其中，所述N型PbS薄膜(3)与所述衬底的上表面接触，是通过磁控溅射制备得到的；所述P型PbS薄膜(5)与所述N型PbS薄膜(3)紧密连接，该P型PbS薄膜(5)是通过对所述N型PbS薄膜(3)部分掺杂得到的，由此形成PbS同质PN结；
此外，所述N型PbS薄膜(3)还与第一电极相连，所述P型PbS薄膜(5)还与第二电极相连，所述第一电极与所述第二电极互不接触。
作为本发明的进一步优选，所述掺杂是在磁控溅射设备中进行的。
作为本发明的进一步优选，所述衬底为Si/SiO2衬底，自上而下依次包括二氧化硅氧化层(2)和硅衬底(1)。
作为本发明的进一步优选，所述第一电极与所述第二电极均为Au电极。
按照本发明的另一方面，本发明提供了上述PbS同质结器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)以PbS为靶材，在清净的衬底上通过磁控溅射制备N型PbS薄膜，沉积得到的N型PbS薄膜与所述衬底的上表面接触；
(S2)用形状预先设定的掩膜版对制得的N型PbS薄膜进行部分遮挡，接着，对遮挡后的N型PbS薄膜进行等离子体掺杂，使未被掩膜版遮挡的N型PbS薄膜转化为P型PbS薄膜，即可得到P型PbS薄膜与N型PbS薄膜紧密连接形成的PbS同质PN结；
(S3)移除掩膜版，然后在所述N型PbS薄膜上蒸镀沉积第一电极，在所述P型PbS薄膜上蒸镀沉积第二电极，即可得到PbS同质结器件。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(S1)中，所述清净的衬底是对衬底先用丙酮溶液超声5～10min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5～10min，清洗去除丙酮，最后用去离子水超声5～10min，然后用氮气枪吹干。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(S1)中，所述磁控溅射是在氩气气氛下进行的，起辉前的工作气压为2～5Pa、溅射功率为20～40W；起辉后，将溅射功率降至18～24W，将工作气压调节为1.5～2.1Pa，溅射120～140min。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(S2)中，所述等离子体掺杂具体为通过磁场调控的等离子体掺杂，是在磁控溅射设备中进行的；所述通过磁场调控的等离子体掺杂是在氧气气氛进行的，起辉前的工作气压为2～5Pa、溅射功率为10～20W；起辉后，快速降低功率至4～8W，氧等离子体掺杂10～30s，从而使未被掩膜版遮挡的N型PbS薄膜转化为P型PbS薄膜。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(S3)中，所述第一电极与所述第二电极均为Au电极，厚度均为50～100nm，所述蒸镀优选为电子束蒸镀。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，利用N型PbS薄膜和P型PbS薄膜形成PbS同质PN结，得到一种新型的基于PbS的同质结器件，可用于制备红外探测器。本发明基于PbS的同质结尤其可采用磁控溅射、通过磁场调控的等离子体掺杂制备得到，能够降低表面态，提高载流子迁移率，制备致密性好、结晶性好、均匀性好的PbS薄膜，有选择性、可控地、低损耗地掺杂PbS薄膜。
本发明制备方法简单快速，工艺参数可控、成膜致密性均匀性好，在红外探测领域具有广阔的应用前景。本发明尤其可采用先磁控溅射再掺杂改型这一制备方法整体工艺流程设计，在磁控溅射过程中，由于硫元素在溅射过程中容易缺失从而产生硫空位，经过霍尔测试溅射出的PbS薄膜本身已显示N型，不需进行N型掺杂；进一步利用等离子体掺杂，使部分N型PbS薄膜导电类型转变为P型，即可得到PbS同质PN结(此时，N型PbS薄膜和P型PbS薄膜通过范德华力连接)。
具体说来，本发明能够取得以下有效效果：
(1)本发明采用磁控溅射的方法制备PbS薄膜。相比于普遍的化学浴沉积法，薄膜致密性更好，成膜均匀性更好，膜结晶性更好，缺陷更少，结构更稳定。本发明尤其对磁控溅射法的工艺参数条件进行优选控制，将起辉前的工作气压控制为2～5Pa、溅射功率控制为20～40W，起辉后，将溅射功率控制至18～24W，将工作气压控制为1.5～2.1Pa，如此溅射120～140min后得到的N型PbS薄膜，致密性、均匀性优异，结晶度很高，质量优于化学浴沉积法等传统方法。
(2)本发明采用同质结的设计，相比于制备异质结而言，降低了界面态对能带结构的影响。
(3)本发明采用磁场调控等离子体掺杂技术，能够低温地、可控地、低损耗地、有选择性地掺杂PbS薄膜，并且相较于异质结的制备，工艺难度降低。
(4)本发明采用PbS作为半导体原料，在红外探测领域具有很强的优势和前景。硫化铅(PbS)因其直接带隙窄(0.41eV)，在近红外波段(1～3μm)具有良好的光敏性，常用来制作近红外光电探测器。PbS探测器具有灵敏度高、可室温工作而不需制冷的优点，具有很高的阻抗，可以与CMOS信号处理电路互连，便于制成阵列成品，故广泛用于红外制导、红外侦查等军事领域和火灾探测等民用领域。而且，国内的红外技术发展趋势在于，高性能红外材料的研制、红外器件和设备的制冷、红外探测的波段向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制及其与相应数据处理设备的结合等方面。而本发明采用PbS为原料设计基于PbS同质结的光电探测结构，响应了国家对红外技术发展的需求，在高性能红外材料研制、红外探测向更长波段发展等方面均进行了有效的探索。
综上，本发明中基于PbS的同质结制备方法，降低了工艺流程难度，薄膜性能优良，载流子迁移率高。采用同质结设计，降低了异质结所存在的界面态对能带结构的影响，无需转移，提高了载流子迁移率；采用磁控溅射制备PbS薄膜，薄膜结晶性、致密性、均匀性好；采用磁控等离子体掺杂技术制备P型PbS薄膜，可低损耗地、有选择性地、厚度可控的进行掺杂。总体而言，本发明所涉及制备流程简单、工艺可控，在红外探测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于PbS的同质结器件的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的基于PbS的同质结器件的工艺流程图。
图3是本发明实施例1中间过程得到的N型PbS薄膜样品的SEM表征图。
图4是本发明实施例3中间过程得到的N型PbS薄膜样品的SEM表征图。
图5是本发明实施例6中间过程得到的N型PbS薄膜样品的SEM表征图。
图1中各附图标记的含义如下：1为Si、2为SiO2(Si和SiO2共同组成Si/SiO2衬底，即具有二氧化硅绝缘层的硅衬底；当然，也可以采用其他绝缘衬底)，3为N型PbS(即，N-PbS)，4为电极(如Au电极等)，5为P型PbS(即，P-PbS)。另外，图3、图4、图5最下方所示出的标尺均代表100nm。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明中基于PbS的同质结器件，包括：自下而上设置的硅衬底，SiO2绝缘层，P型PbS薄膜和N型PbS薄膜，电极A和电极B；含二氧化硅绝缘层的硅片为衬底；所述N型PbS薄膜位于具有二氧化硅绝缘层的硅衬底的上表面；所述P型PbS薄膜位于N型PbS薄膜的左半部分(当然，也可以是其他预先选定的位置)；所述电极A位于P型PbS薄膜上表面的一侧，所述电极B位于N型PbS薄膜上表面的一侧，电极A、电极B相互不接触。
在本发明的实施例中，制备上述同质结器件的工艺流程如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种基于PbS的同质结器件的制备工艺流程图，图2中的序号对应如下步骤：
①衬底准备
②磁控溅射制备N型PbS薄膜；
③用掩膜版遮挡一部分N型PbS薄膜；
④等离子体掺杂制备P型PbS薄膜；
⑤撤掉掩膜版；
⑥用电子束蒸发法制备两个电极。
具体的，可以按如下步骤进行：
(1)衬底准备：准备一硅片(例如，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层)。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声5min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸可以为20mm×20mm。如图2中步骤①所示。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS靶材由市售购得，供方为中诺新材(北京)科技有限公司，靶材纯度99.99％，直径80mm，厚度4mm，绑定1mm铜背板。关闭顶盖，开启抽真空流程，以达到溅射所需的高真空条件，即8×104Pa或以下。在高真空条件下，通入氩气，调节溅射功率至20～40W，调节工作气压至2～5Pa，调节匹配器使得起辉，而后将溅射功率降至18～24W，工作气压调节为1.5～2.1Pa，溅射120～140min。其中，通过改变溅射时间，可以控制N型PbS薄膜的厚度(PbS薄膜之所以呈N型，是因为溅射过程中硫元素容易缺失，产生硫空位所致)。如图2中步骤②所示。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。如图2中步骤③所示。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS：关闭顶盖，再次抽真空至8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氧气，将溅射功率调至10～20W，工作气压调为2～5Pa，调节启辉后，快速降低功率至4～8W，氧等离子体掺杂10～30s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。如图2中步骤④所示。
(5)撤掉掩膜版：如图2中步骤⑤所示。
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极(当然，也可以采用其他常用的金属电极材料)，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度例如可以为50～100nm。如图2中步骤⑥所示。
至此，基于PbS的同质结器件制备完成。
磁控溅射工艺和掺杂工艺可以在同个机器内进行，本发明后续实施例所采用的设备为北京创世威纳科技有限公司的MSP-300BT等离子体薄膜材料掺杂镀膜系统。
以下为具体实施例：
实施例1
(1)衬底准备：准备一硅片，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声5min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸为20mm×20mm。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS为靶材。关闭顶盖，开启抽真空流程，直至真空计显示8×10-4Pa或以下。通入氩气，调节溅射功率至40W，调节工作气压至5Pa，调节匹配器使得起辉，而后逐渐将溅射功率降至20W，工作气压调节为1.5Pa，溅射140min。如图3所示，将N型PbS薄膜进行SEM表征，可见晶粒大小基本一致，分布均匀，晶粒间缝隙小，薄膜致密性、均匀性良好。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS：关闭顶盖，再次抽真空达到8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氧气，将掺杂功率调至15W，工作气压调为3Pa，调节启辉后，快速降低功率至8W，氧等离子体掺杂30s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。
(5)撤掉掩膜版；
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度为75nm。
实施例2
(1)衬底准备：准备一硅片，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声5min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸为20mm×20mm。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS为靶材。关闭顶盖，开启抽真空流程，以达到溅射所需的高真空条件，即8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氩气，调节溅射功率至20W，调节工作气压至2Pa，调节匹配器使得起辉，而后将溅射功率降至18W，工作气压调节为2.1Pa，溅射120min。其中，通过改变溅射时间，可以控制N型PbS薄膜的厚度。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS：关闭顶盖，再次抽真空至8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氧气，将掺杂功率调至10W，工作气压调为3Pa，调节启辉后，快速降低功率至6W，氧等离子体掺杂20s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。
(5)撤掉掩膜版；
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度为75nm。
实施例3
(1)衬底准备：准备一硅片，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声10min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声10min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声10min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸为20mm×20mm。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS为靶材。关闭顶盖，开启抽真空流程，以达到溅射所需的高真空条件，即8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氩气，调节溅射功率至30W，调节工作气压至3Pa，调节匹配器使得起辉，而后逐渐将掺杂功率降至20W，工作气压调节为1.9Pa，溅射120min。其中，通过改变溅射时间，可以控制N型PbS薄膜的厚度。如图4所示，将N型PbS薄膜进行SEM表征，可见晶粒大小基本一致，分布均匀，晶粒间缝隙小，薄膜致密性、均匀性良好。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS薄膜：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS薄膜：关闭顶盖，再次抽真空至8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氧气，将掺杂功率调至20W，工作气压调为5Pa，调节启辉后，快速降低功率至4W，氧等离子体掺杂10s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。
(5)撤掉掩膜版；
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度为75nm。
实施例4
(1)衬底准备：准备一硅片，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声5min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸为20mm×20mm。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS为靶材。关闭顶盖，开启抽真空流程，以达到溅射所需的高真空条件，即8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氩气，调节溅射功率至20W，调节工作气压至2Pa，调节匹配器使得起辉，而后逐渐将掺杂功率降至22W，工作气压调节为1.7Pa，溅射130min。其中，通过改变溅射时间，可以控制N型PbS薄膜的厚度。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS薄膜：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS薄膜：关闭顶盖，再次抽真空值8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氧气，将掺杂功率调至15W，工作气压调为4Pa，调节启辉后，快速降低功率至7W，氧等离子体掺杂30s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。
(5)撤掉掩膜版；
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度为75nm。
实施例5
(1)衬底准备：准备一硅片，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声5min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸为20mm×20mm。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS为靶材。关闭顶盖，开启抽真空流程，以达到溅射所需的高真空条件。在高真空条件下，通入氩气，调节溅射功率至40W，调节工作气压至5Pa，调节匹配器使得起辉，而后逐渐将掺杂功率降至24W，工作气压调节为1.9Pa，溅射140min。其中，通过改变溅射时间，可以控制N型PbS薄膜的厚度。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS薄膜：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS薄膜：关闭顶盖，再次抽真空以达到掺杂所需的高真空环境(即，8×10-4Pa或以下)。在高真空条件下，通入氧气，将掺杂功率调至10W，工作气压调为3Pa，调节启辉后，快速降低功率至6W，氧等离子体掺杂30s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。
(5)撤掉掩膜版；
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度为75nm。
实施例6
(1)衬底准备：准备一硅片，硅片的厚度为525um，且上表面具有50nm的氧化层。然后对硅片进行清洗干燥。具体操作为：先用丙酮溶液超声5min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5min，清洗去除丙酮，再用去离子水超声5min，最后用氮气枪吹干。其中硅片尺寸为20mm×20mm。
(2)磁控溅射制备N型PbS薄膜：将(1)处理好的硅片在磁控溅射设备的托上固定好，PbS为靶材。关闭顶盖，开启抽真空流程，直至真空计显示8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氩气，调节溅射功率至30W，调节工作气压至4Pa，调节匹配器使得起辉，而后逐渐将掺杂功率降至20W，工作气压调节为1.7Pa，溅射140min。其中，通过改变溅射时间，可以控制N型PbS薄膜的厚度。如图5所示，将N型PbS薄膜进行SEM表征，可见晶粒大小基本一致，分布均匀，晶粒间缝隙小，薄膜致密性、均匀性良好。
(3)用掩膜版遮挡一部分N型PbS薄膜：将(2)得到的N型PbS薄膜用掩膜版遮挡一部分，放回设备。
(4)等离子体掺杂制备P型PbS薄膜：关闭顶盖，再次抽真空到8×10-4Pa或以下。在高真空条件下，通入氧气，将掺杂功率调至15W，工作气压调为2Pa，调节启辉后，快速降低功率至8W，氧等离子体掺杂30s，使得部分N型PbS薄膜转化为P型。通过磁场调控，可达到对样品掺杂厚度的控制。
(5)撤掉掩膜版；
(6)将(5)中样品进行电子束蒸镀Au电极，一个电极位于P型PbS薄膜上表面一侧，另一个电极位于N型PbS薄膜上表面一侧，厚度为75nm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种PbS同质结器件，其特征在于，包括衬底以及位于该衬底上的N型PbS薄膜(3)、P型PbS薄膜(5)；其中，所述N型PbS薄膜(3)与所述衬底的上表面接触，是通过磁控溅射制备得到的；所述P型PbS薄膜(5)与所述N型PbS薄膜(3)紧密连接，该P型PbS薄膜(5)是通过对所述N型PbS薄膜(3)部分掺杂得到的，由此形成PbS同质PN结；
此外，所述N型PbS薄膜(3)还与第一电极相连，所述P型PbS薄膜(5)还与第二电极相连，所述第一电极与所述第二电极互不接触。
2.如权利要求1所述PbS同质结器件，其特征在于，所述掺杂是在磁控溅射设备中进行的。
3.如权利要求1所述PbS同质结器件，其特征在于，所述衬底为Si/SiO2衬底，自上而下依次包括二氧化硅氧化层(2)和硅衬底(1)。
4.如权利要求1所述PbS同质结器件，其特征在于，所述第一电极与所述第二电极均为Au电极。
5.如权利要求1－4任意一项所述PbS同质结器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)以PbS为靶材，在清净的衬底上通过磁控溅射制备N型PbS薄膜，沉积得到的N型PbS薄膜与所述衬底的上表面接触；
(S2)用形状预先设定的掩膜版对制得的N型PbS薄膜进行部分遮挡，接着，对遮挡后的N型PbS薄膜进行等离子体掺杂，使未被掩膜版遮挡的N型PbS薄膜转化为P型PbS薄膜，即可得到P型PbS薄膜与N型PbS薄膜紧密连接形成的PbS同质PN结；
(S3)移除掩膜版，然后在所述N型PbS薄膜上蒸镀沉积第一电极，在所述P型PbS薄膜上蒸镀沉积第二电极，即可得到PbS同质结器件。
6.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，所述清净的衬底是对衬底先用丙酮溶液超声5～10min，清洗去除有机污垢，再用酒精超声5～10min，清洗去除丙酮，最后用去离子水超声5～10min，然后用氮气枪吹干。
7.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(S1)中，所述磁控溅射是在氩气气氛下进行的，起辉前的工作气压为2～5Pa、溅射功率为20～40W；起辉后，将溅射功率降至18～24W，将工作气压调节为1.5～2.1Pa，溅射120～140min。
8.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(S2)中，所述等离子体掺杂具体为通过磁场调控的等离子体掺杂，是在磁控溅射设备中进行的；所述通过磁场调控的等离子体掺杂是在氧气气氛进行的，起辉前的工作气压为2～5Pa、溅射功率为10～20W；起辉后，快速降低功率至4～8W，氧等离子体掺杂10～30s，从而使未被掩膜版遮挡的N型PbS薄膜转化为P型PbS薄膜。
9.如权利要求5所述制备方法，其特征在于，所述步骤(S3)中，所述第一电极与所述第二电极均为Au电极，厚度均为50～100nm，所述蒸镀优选为电子束蒸镀。
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