CN1312734C - 飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5~10-3Pa,以FeSi2合金为靶材,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20~50mm,基片加热到20℃~700℃,然后保温,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。本发明适合于不同的基底,在较低的温度下,短时间内合成大面积的、均匀的单相β-FeSi2薄膜,所制备的薄膜有较好的发光和光伏特性,解决了作为红外发光二极管和太阳能电池所需的优质β-FeSi2薄膜的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体薄膜的制备方法,具体是一种脉冲激光沉积薄膜的方法。
背景技术
β-FeSi2半导体薄膜的制备方法通常有如下几种
(1)离子注入(IBS)
通过在硅基片上诸如能量为400keV~2MeV,剂量为1017~1019cm-2的Fe+,然后在一定温度下退火,形成β-FeSi2埋层,由于离子注入过程中的加热效应,可直接合成α相和γ相的FeSi2。缺点:难以获得大面积的β-FeSi2薄膜,成膜时间长。
(2)分子束外延(MBE)
先在基片上沉积0.1~0.2nm的纯铁,然后按一定的化学比例蒸发一定量的Fe和Si在基片上,基片保持室温或加热至50~800℃,650℃时对应的是单相β-FeSi2。缺点:薄膜的质量还是不够好,需要高真空环境,生长速度较慢。
(3)固相反应淀积法(RDE)
在室温下先在硅表面沉积铁薄膜,然后在一定温度下进行退火,通过FeSi在界面上的相互间的扩散,实现固相反应,形成铁硅化合物。铁硅化合物形成的种类是由退火温度及退火时间决定,与铁硅系统的界面行为有关。如果直接把铁沉积导热的硅基片上就是反应外延法。缺点是:固相反应只发生在界面,难于获得单相的β-FeSi2膜,难以获得较厚的膜,固相外延法制备的膜厚只有几纳米;退火温度高(800~900℃);薄膜的形貌差。
(4)脉冲激光沉积(PLD)
传统的脉冲激光沉积(PLD)的缺点是:采用的是纳秒(10-9秒),能量密度还不够高,沉积过程仍然是以热作用为主,沉积物中夹杂大量的小液滴,薄膜均匀性差,难以合成均匀的单相的β-FeSi2膜。见参考文献:S.Komuro et al.Formation ofβ-FeSi2 thin films using laser ablation Journal ofCrystal Growth 237-239(2002)1961-1965
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处,提供一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法。该方法适合于不同的基底,在较低的温度下,短时间内合成大面积的、均匀的单相β-FeSi2薄膜。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是,一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法,其特征在于:将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5~10-3Pa,以硅化铁FeSi2合金为靶材,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20~50mm,基片加热到20℃~700℃,然后保温,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
在上述技术方案中,在采用激光照射时,旋转靶材和实时监测等离子体焰,相应调整靶材的位置,使激光光斑焦点不偏离靶材,从而较好控制激光功率密度。
所述基片为硅、石英、玻璃或金属材料。所述金属材料为镀铂的硅晶片、铁、铁合金、铝、铝合金、黄铜。
所述基片加热到300℃~700℃为优化温度。
可在形成薄膜后,在300℃~700℃,原位热处理基片0.5h~20h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。原位热处理基片0.5h~2h为优化时间。
本发明的优点在于:
(1)以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,使得激光的热效应减少到不明显的程度,在如此高的功率密度下,靶材被激光束剥离,主要以等离子体的形式喷出,从而避免大的微晶粒和微液滴(微米级)的产生,获得了大面积的、均匀的单相β-FeSi2薄膜;
利用脉冲激光沉积法的高保组分特性、利用激光作用在靶材上产生的等离子体,在基片上实现异质外延生长,从而获得β-FeSi2外延膜,也可以获得多晶膜和非晶膜。
(2)可在直径50cm的基片上生长,晶粒可以控制在30~150nm,从而获得大面积的均匀的纳米薄膜。
(3)原位制备单相β-FeSi2薄膜,薄膜的热处理也可在原位进行,避免了二次污染。
(4)薄膜可在低温下300℃生长完成。
(5)所制备的薄膜有较好的发光和光伏特性。
(6)薄膜的生长速度>10nm/min,达每分钟10~30nm。
(7)解决了作为红外发光二极管和太阳能电池所需的优质β-FeSi2薄膜的技术难题。
具体实施方式
采用FeSi2合金作为靶材,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,靶材上被激光束剥离产生的等离子体具有和靶材相同的化学剂量比。激光产生等离子体沉积在基片上形成薄膜,改变沉积时间可以获得不同厚度的β-FeSi2薄膜。
由于β-FeSi2晶体结构的特殊性,实现β-FeSi2薄膜外延生长较困难,可以通过控制基片的温度来实现薄膜的外延生长。
在以下实施例中,采用通用的脉冲激光沉积薄膜装置;激光器:采用钛蓝宝石飞秒激光器,飞秒(fs)激光器是指脉冲宽度在10fs~150fs的脉冲激光器,1fs=10-15s;靶材的制备:采用常规的粉末冶金方法在高纯Ar气氛中,合成FeSi2合金作为脉冲激光沉积的靶材;基片的清洗:作为沉积的载体,采用标准半导体清洗工艺清洗基片,除掉表层的有机和无机杂质。
实施例1
基片采用Si(111)圆片或Si(100)圆片,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-3Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距40mm,基片加热到500℃,然后保温,温控精度±0.5℃,激光参数:单脉冲激光能量1.0mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=1000mm,光斑在0.3mm,以1.1×1014W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
实施例2
基片采用石英片或载玻片(玻璃),将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-4Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距50mm,基片加热到300℃,然后保温,温控精度±0.5℃,激光参数:单脉冲激光能量1.5mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=400mm,光斑在0.1mm,以1×1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,在采用激光照射时,旋转靶材和实时监测等离子体焰,相应调整靶材的位置,使激光光斑焦点不偏离靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
实施例3
上述实施例2形成薄膜后,在300℃,原位热处理基片20h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
实施例4
基片采用Pt/Ti/SiO2/Si(100)、铝片、铝合金片、铁片、钢片、不锈钢片或黄铜片,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20mm,基片加热到700℃,然后保温,温控精度±0.5℃,激光参数:单脉冲激光能量0.5mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=1000mm,光斑在2.1mm,以1.0×1012W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。形成薄膜后,在700℃,原位热处理基片0.5h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
实施例5
基片采用Si(111)圆片、Si(100)圆片、Pt/Ti/SiO2/Si(100)、石英片、载玻片(玻璃)、铁片、铁合金片、铝片、铝合金片、钢片、不锈钢片或黄铜片,将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-3Pa,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距40mm,室温20℃,激光参数:单脉冲激光能量1.9mJ/pulse,波长800nm,脉宽50fs,重复频率1000Hz,聚焦透镜f=400mm,光斑在0.3mm,以2.0×1014W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。形成薄膜后,在500℃,原位热处理基片10h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
Claims (7)
1.一种飞秒脉冲激光制备β-FeSi2半导体薄膜的方法,其特征在于:将脉冲激光沉积薄膜装置抽真空,气压10-5~10-3pa,以硅化铁FeSi2合金为靶材,将靶材和基片置于脉冲激光沉积薄膜装置内,靶材和基片平行,且相距20~50mm,基片加热到20℃~700℃,然后保温,以1012~1015W/cm2的峰值功率密度的激光束照射靶材,喷出的等离子体在基片上沉积,沿基片晶面外延生长形成薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:在采用激光照射时,旋转靶材和实时监测等离子体焰,相应调整靶材的位置。
3.根据权利要求1或2所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述基片为硅、石英、玻璃或金属材料。
4.根据权利要求3所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述金属材料为镀铂的硅晶片、铁、铁合金、铝、铝合金、黄铜。
5.根据权利要求1或2所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述基片加热到300℃~700℃。
6.根据权利要求1或2所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:在形成薄膜后,在300℃~700℃,原位热处理基片0.5h~20h,使薄膜晶粒进一步长大,并消除内应力。
7.根据权利要求6所述的制备β-FeSi2薄膜的方法,其特征在于:所述原位热处理基片0.5h~2h。
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04210463A (ja) * | 1990-11-27 | 1992-07-31 | Mitsubishi Materials Corp | FeSi↓2薄膜の形成方法 |
JP2000178713A (ja) * | 1998-12-09 | 2000-06-27 | Japan Science & Technology Corp | β−FeSi2薄膜の形成方法 |
JP2001127338A (ja) * | 1999-10-29 | 2001-05-11 | Matsushita Electronics Industry Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
WO2004021458A1 (ja) * | 2002-08-30 | 2004-03-11 | Hamamatsu Photonics K.K. | 発光素子およびその製造方法 |
JP2004083343A (ja) * | 2002-08-27 | 2004-03-18 | Hamamatsu Photonics Kk | β−FeSi2膜の製造方法 |
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04210463A (ja) * | 1990-11-27 | 1992-07-31 | Mitsubishi Materials Corp | FeSi↓2薄膜の形成方法 |
JP2000178713A (ja) * | 1998-12-09 | 2000-06-27 | Japan Science & Technology Corp | β−FeSi2薄膜の形成方法 |
JP2001127338A (ja) * | 1999-10-29 | 2001-05-11 | Matsushita Electronics Industry Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
JP2004083343A (ja) * | 2002-08-27 | 2004-03-18 | Hamamatsu Photonics Kk | β−FeSi2膜の製造方法 |
WO2004021458A1 (ja) * | 2002-08-30 | 2004-03-11 | Hamamatsu Photonics K.K. | 発光素子およびその製造方法 |
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Publication number | Publication date |
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