CN115074667A - 一种高迁移率p型SrHfS3薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄膜材料制备技术领域,为了解决现有的制备SrHfS3薄膜的方法存在制备所得的SrHfS3薄膜结晶性和稳定性不佳的问题,公开了一种高迁移率p型SrHfS3薄膜及其制备方法,所述一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,包括以下步骤:基于SrHfO3靶材通过磁控溅射沉积获得前驱体薄膜;对前驱体薄膜进行硫化处理得到SrHfS3薄膜。本发明成本低,操作简单;所获得SrHfS3薄膜具有良好结晶性、稳定性。SrHfS3特殊的畸变钙钛矿结构赋予了该材料较高的迁移率、良好的光吸收特性,此外考虑到该材料为环境友好的无铅钙钛矿材料,更有希望应用于新型光电器件。

Description

一种高迁移率p型SrHfS3薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜材料制备技术领域,尤其涉及一种高迁移率p型SrHfS3薄膜及其制备方法。
背景技术
光电器件是利用光电物理效应制成的各种功能器件,典型的光电器件包括薄膜晶体管、光电探测器、发光二极管等,其应用范围可涵盖光通讯、光显示、红外探测、医学探测和透视等多个领域。基于薄膜的光电器件能够实现器件的小型化和集成化,并提高光电器件性能,而高质量的半导体薄膜是实现高性能薄膜光电器件的必备因素。因此,针对新型半导体薄膜制备和性能的探索,是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域。尤其是具有高迁移率、良好稳定性和致密性的新型半导体薄膜,往往能够极大促进光电器件的发展,带来新颖的器件性能。
SrHfS3是一种新型半导体材料,当前的研究表明其具有高稳定性、适宜的禁带宽度、良好的载流子传输特性等优势,并且其具有组成元素环境友好和地壳丰富度高等独特优点。然而现有的制备SrHfS3薄膜的方法存在制备所得的SrHfS3薄膜结晶性和稳定性不佳的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点,而提出的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜及其制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,包括以下步骤:
S1.基于SrHfO3靶材通过磁控溅射沉积获得前驱体薄膜;
S2.对前驱体薄膜进行硫化处理得到SrHfS3薄膜。
优选的,步骤S1中磁控溅射沉积前驱体薄膜的步骤为:将SrHfO3靶材置入磁控溅射系统中,进行磁控溅射沉积,制得前驱体薄膜。
优选的,靶材的直径是50.4mm,厚度为3mm,通过铜背板绑定以有利于散热。
优选的,步骤S1中,在磁控溅射之前,磁控溅射系统本底真空低于0.001Pa;磁控溅射系统内基板为石英基板。
优选的,石英基板的尺寸为5×5cm2,使用有机溶剂和去离子水交替清洗石英基板,避免引入杂质。
优选的,步骤S1中,磁控溅射过程中,SrHfO3溅射枪的功率为40W;溅射工作气体为氩气,氩气流量为10SCCM,溅射压强为1Pa,溅射时间为2h,基板温度为室温。
优选的,步骤S2硫化过程为:将步骤S1中获得的前驱体薄膜置于管式炉中,使用机械泵抽至本底真空,通入硫化气体进行硫化,设置管式炉升温至硫化温度并保温,然后降至室温后获得SrHfS3薄膜。
优选的,使用机械泵抽至本底真空低于0.1Pa,通入硫化气体后炉内压强为30Pa,硫化温度为1000-1050℃。
优选的,硫化时间大于4h。
优选的,硫化反应后,以5℃/min的降温速率降温至室温。
优选的,硫化气体为二硫化碳气体和硫化氢气体中的一种。
上述高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法制备所得的高迁移率p型SrHfS3薄膜。
本发明的有益效果为:
本发明提供了一种制备SrHfS3薄膜的方法,其成本低,操作简单。所需要的原材料例如SrHfO3等可以很方便在市场上购置。所获得的SrHfS3薄膜具有良好结晶性、稳定性。SrHfS3特殊的畸变钙钛矿结构赋予了该材料较高的迁移率、良好的光吸收特性,此外考虑到该材料为环境友好的无铅钙钛矿材料,更有希望应用于新型光电器件。
附图说明
图1是本发明所述的SrHfS3薄膜制备方法流程图和设备示意图;
图2是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜X射线衍射图,其经过50%-70%湿度环境中400℃稳定性测试后的X射线衍射图,和标准粉末衍射参考图。
图3是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜扫描电镜形貌图。
图4是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜能量色散X射线图(EDS);
图5是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜的PL测试图谱;
图6是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜的tauc plot图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。
实施例1
步骤S1:将SrHfO3靶材放置于磁控溅射系统,抽真空至低于0.001Pa,然后通过进气系统通入氩气,打开主阀调节压力,分别调至启辉条件,成功启辉后调整氩气流量为10SCCM,磁控溅射系统内部气压为1Pa,射频功率为40W,基板温度为室温,先预溅射0.5h,去除靶材上面的杂质,之后打开挡板,在石英片上进行沉积,沉积2h后,关闭靶材和基板挡板,将功率缓慢降下来之后关闭功率,关闭进气系统,通入氩气打开腔门,取出氧化物前驱体薄膜。
步骤S2:将步骤S1获得的氧化物前驱体薄膜放入管式炉进行高温硫化,首先关闭进气口、充气阀,使用旋片式机械泵将炉管抽真空至0.1Pa以下,设置升温程序以5℃/min的升温速率升高温度至1050℃,在升温至200℃时通过进气口通入还原性气体CS2,一方面做保护气氛,另一方面作为还原剂对氧化物前驱体进行硫化,维持工作气压在30Pa,6h后,以5℃/min的降温速率降温至200℃,停止还原性气体的通入,等待降至室温,打开放气阀,待炉管内压强到达一个大气压,取出制备得到的SrHfS3薄膜。
图1是本发明实施例1的制备方法流程图;
图2是本发明实施例1获得的SrHfS3薄膜X射线衍射图、经过50%-70%湿度环境中400℃稳定性测试后的X射线衍射图以及标本粉末衍射图。可以看出,无论是制备得到的SrHfS3薄膜还是经过湿热稳定性测试之后的SrHfS3薄膜,其主衍射峰以及峰强均为发生明显变化,即晶体结构没有明显变化,且所有的峰都能够匹配SrHfS3标准峰,表明所制备的SrHfS3薄膜无其他杂质相。
图3是本发明实施例1获得的SrHfS3薄膜扫描电镜形貌图,可以看出,得到的SrHfS3薄膜表面形貌平整且致密。
图4是本发明实施例1中获得SrHfS3薄膜能量色散X射线图(EDS),处了基板元素Si之外,只含有Sr、Hf、S三种元素,符合预期结果,不含有其他杂质元素,结果证明,本发明所论述的方法可以避免其他杂质的引入。
图5是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜的PL测试图谱,可见SrHf3薄膜的带隙宽度为2.37eV,接近理论带隙宽度。
图6是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜的tauc-plot图,可确定其禁带宽度为2.35eV,和图5中PL所确定的带隙宽度一致。
表1是本发明实施例1中制备的SrHfS3薄膜的霍尔报表,可见其载流子浓度为3×1017cm-3、迁移率大于140cm2/V·s的p型半导体,其电阻率可低至0.13Ohm·cm,表明其具有良好的导电性。
表1
Figure BDA0003725330900000051
实施例2
步骤S1,与实施例1中步骤S1相同;
步骤S2,将步骤S1获得的氧化物前驱体薄膜放入管式炉进行高温硫化,首先关闭进气口、充气阀,使用旋片式机械泵将炉管抽真空至0.1Pa以下,设置升温程序以5℃/min的升温速率升高温度至1050℃,在升温至200℃时通过进气口通入还原性气体H2S,一方面做保护气氛,另一方面作为还原剂对氧化物前驱体进行硫化,维持工作气压在30Pa,6h后,以5℃/min的降温速率降温至200℃,停止还原性气体的通入,等待降至室温,打开放气阀,待炉管内压强到达一个大气压,取出制备得到的SrHfS3薄膜。
实施例2与实施例1不同的地方在于使用了还原性气体H2S替换CS2
实施例3
步骤S1,与实施例1中步骤S1相同;
步骤S2,将步骤S1获得的氧化物前驱体薄膜放入管式炉进行高温硫化,首先关闭进气口、充气阀,使用旋片式机械泵将炉管抽真空至0.1Pa以下,设置升温程序以5℃/min的升温速率升高温度至1000℃,在升温至200℃时通过进气口通入还原性气体H2S,一方面做保护气氛,另一方面作为还原剂对氧化物前驱体进行硫化,维持工作气压在30Pa,6h后,以5℃/min的降温速率降温至200℃,停止还原性气体的通入,等待降至室温,打开放气阀,待炉管内压强到达一个大气压,取出制备得到的SrHfS3薄膜。
实施例3与上述实施例1和2不同的地方在于使用了较低的硫化温度1000℃。
本发明提供了一种制备SrHfS3薄膜的方法,其成本低,操作简单。所需要的原材料例如SrHfO3等可以很方便在市场上购置。所获得的SrHfS3薄膜具有良好结晶性、稳定性。SrHfS3特殊的畸变钙钛矿结构赋予了该材料较高的迁移率、良好的光吸收特性,此外考虑到该材料为环境友好的无铅钙钛矿材料,更有希望应用于新型光电器件。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.基于SrHfO3靶材通过磁控溅射沉积获得前驱体薄膜;
S2.对前驱体薄膜进行硫化处理得到SrHfS3薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜及其制备方法,其特征在于,步骤S1中磁控溅射沉积前驱体薄膜的步骤为:将SrHfO3靶材置入磁控溅射系统中,进行磁控溅射沉积,制得前驱体薄膜。
3.根据权利要求1所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,其特征在于,步骤S1中,在磁控溅射之前,磁控溅射系统本底真空低于0.001Pa;
磁控溅射系统内基板为石英基板。
4.根据权利要求1所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,其特征在于,步骤S1中,磁控溅射过程中,SrHfO3溅射枪的功率为40W;
溅射工作气体为氩气,氩气流量为10SCCM,溅射压强为1Pa,溅射时间为2h,基板温度为室温。
5.根据权利要求1所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,其特征在于,步骤S2硫化过程为:将步骤S1中获得的前驱体薄膜置于管式炉中,使用机械泵抽至本底真空,通入硫化气体进行硫化,设置管式炉升温至硫化温度并保温,然后降至室温后获得SrHfS3薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,其特征在于,使用机械泵抽至本底真空低于0.1Pa,通入硫化气体后炉内压强为30Pa,硫化温度为1000-1050℃。
7.根据权利要求5所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法,其特征在于,硫化气体为二硫化碳气体和硫化氢气体中的一种。
8.如权利要求1-7任一所述的一种高迁移率p型SrHfS3薄膜的制备方法制备所得的高迁移率p型SrHfS3薄膜。
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