一种具有优异光敏性能In2S3薄膜的制备方法与流程

本发明属于功能薄膜材料的制备技术领域，具体涉及一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法。

背景技术：

半导体光探测器是一种用来接收和探测光辐射的半导体光电器件，其在军事和国民经济的各个领域均有广泛应用。在紫外光探测领域，可以用来监控臭氧层的厚度、污染物的排放量、探测并报警森林和油田的火灾等；可见光探测领域，可用来进行光度计量和制作工业自动控制元件，如路灯控制、照相曝光控制和电影拾音等；红外光探测领域，可用作导弹制导、红外热成像和红外遥感等。光电探测器的核心部件为半导体材料，为适应对其性能越来越高的需求，对这些半导体材料也提出了更高的要求：即高光响应性、快响应速率和良好波长选择性。目前研究比较广泛光敏材料有zno、cds等，其中zno纳米线结构的光导型探测器具有较大的光暗电流比，但是制备工艺复杂，纳米结构的电极焊接技术困难，并且光响应时间过长难以实际应用；cds在光敏电阻器件领域研究比较充分且以用于实际生产，但是cd元素毒性较大，严重限制了其大规模生产及使用。

in2s3属于ⅲ-ⅵ族化合物半导体材料，化学性质稳定且组成元素无毒，在稀磁半导体、光催化及薄膜太阳能电池等领域得到广泛的应用，同时它也具有优异的光电导性能，因此可用于光探测器领域，但是对于其在该领域应用的研究十分有限。对于光探测器半导体材料，高的光暗电流比和快响应速度对于探测器的性能至关重要，hilalcansizoglu等在导电玻璃上制备in2s3纳米棒再覆盖ag金属薄膜形成纳米结构光电导器件，该器件响应时间为0.5s，但是亮态和暗态电流比较小不超过3倍，且制备过程复杂。nilimachaudhari等采用水热法制备出混有in(oh)3且具有正八面体结构的β-in2s3薄膜光暗电流比超过10⁴，且响应速度快小于1s，但是该方法水热反应时间为10小时，生产效率很慢，且薄膜的重复性及附着性存在一定问题，不适合大规模工业化生产。因此发展快速制备具有高光暗电流比和快响应速率的in2s3薄膜具有一定的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是解决上述问题，提供一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，该制备方法操作简单、大面积均匀性好、沉积速度快、薄膜的附着性好且制备成本低。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，包括以下步骤：

s1：基片预处理：将基片清洗干净后吹干，并置于磁控溅射腔室内，备用；

s2：预溅射：在磁控溅射仪靶枪上安装in2s3靶材，铟硫原子比为2：3，对磁控溅射腔室抽真空后再通入氩气，衬底温度为室温，挡板遮住衬底，设置溅射气压为2～3pa，开启电源起辉，待辉光稳定后，开始预溅射以除去in2s3靶材表面的污染物；

s3：溅射沉积in2s3薄膜：经步骤s2处理后，移开挡板，保持溅射条件在基片进行溅射沉积，溅射时间为60～300s，获得in2s3薄膜。

值得说明的是，步骤s2预溅射的目的是除去in2s3靶材表面的污染物。优选预溅射条件为：溅射功率为4～5w/㎝²，溅射气压为0.8～1.2pa，预溅射时间为120～300s。采用与步骤s3实际溅射功率和溅射气压一致仅仅为了操作方便，预溅射完成直接移开挡板便开始沉积。只要溅射功率在一定范围内，不要太高破坏靶材或者太低除污效果差以外，可以有一定的波动对实验结果不会有太大影响。因此，预溅射条件可以采用本领域中常规的溅射条件，本发明对此并没有特殊的要求。

上述技术方案中，所述步骤s1中，清洗采用的具体方法为：将基片依次放入重铬酸钾溶液、丙酮、去离子水、酒精中，分别超声清洗10-20min。需要说明的是，清洗的目的是为了去除基片表面的杂质及有机物，因此并不限于前述具体清洗溶液和清洗参数，同时也可以采用本领域中其它常规的基片清洗方法对基片进行清洗。

上述技术方案中，所述步骤s2中，in2s3靶材的纯度为99.99％。

上述技术方案中，所述步骤2中，磁控溅射仪靶枪至基片的距离为8～12㎝。

上述技术方案中，所述步骤s2中，对磁控溅射腔室抽真空至小于1×10^-3pa。

上述技术方案中，所述步骤s2中，氩气的纯度为99.999％。

上述技术方案中，所述基片采用绝缘表面，且表面平整。具体可以采用但不限于玻璃或石英基底。绝缘表面且表面平整有利于in2s3薄膜的沉积附着。

上述技术方案中，所述步骤s3中，in2s3薄膜沉积的厚度为10～100nm。

本发明提供的具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，其创新点和原理在于：由于半导体吸收光子而产生光电效应只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少部分扩散到内部去，但是扩散深度有限，因此光敏电阻只需比较薄的厚度。同时，降低薄膜的本征暗态电流对提高光暗电流比具有重要意义，当薄膜薄到一定程度时，薄膜的结晶性会受到基底比较大的影响，对于in2s3结晶度明显变差。再加上衬底温度较低(室温)，因此薄膜中混有一定的非晶结构显著增大薄膜电阻降低本征暗态电流——具体的，磁控溅射过程，高能ar离子轰击靶材获得高能粒子，在较低衬底温度沉积薄膜时，高能粒子快速冷却，原子在衬底表面迁移能量不足，沉积薄膜晶粒显著减少甚至部分为非晶态，因此能够有效提高薄膜的本征电阻率，与同样厚度结晶态薄膜相比，电阻急剧提高。作为光敏原件工作时，薄膜暗态本征电流显著降低，有利于获得具有优异光敏性能的in2s3薄膜。实验证明，采用本发明提供的制备方法最终获得了具有优异光敏性能的in2s3薄膜，可见光照射下电流强度与暗态电流强度比超过100倍，反应速度快小于1s，电流上升和衰减时间小于1s，可以有效用于可见光电探测器领域。

本发明的有益效果是：本发明提供的具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，采用磁控溅射法制备了均匀致密的in2s3薄膜，制备所得in2s3薄膜，在可见光照射下电流强度与暗态电流强度比超过100倍，光敏反应速度快，电流上升和衰减时间小于1s，可以有效用于可见光探测器领域。总体而言，该制备方法操作简单、薄膜厚度均匀可控、重复性好、沉积速度快、制备成本低、效率高，适合工业化大规模生产，值得在业内推广。

附图说明

图1是本发明实施例1制得的in2s3薄膜的光电导测试结果；

图2是本发明实施例2制得的in2s3薄膜的光电导测试结果；

图3是本发明实施例2分别沉积5min和30min薄膜xrd图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1

一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，包括以下步骤：

s1：基片预处理：将基片依次放入重铬酸钾溶液、丙酮、去离子水、酒精中，分别超声清洗10min。清洗干净后吹干，并置于磁控溅射腔室内，备用；

s2：预溅射：在磁控溅射仪靶枪上安装纯度为99.99％的in2s3靶材，铟硫原子比为2：3，磁控溅射仪靶枪至基片的距离为10㎝；对磁控溅射腔室抽真空至小于1×10^-3pa后，再通入纯度为99.999％的氩气；衬底温度为室温，挡板遮住衬底，设置溅射气压为2pa，开启电源起辉，待辉光稳定后，设置溅射功率为4w/㎝²，调整溅射气压为1.0pa，预溅射120s；

s3：溅射沉积in2s3薄膜：经步骤s2处理后，移开挡板，保持溅射条件，在基片进行溅射沉积，溅射时间为60s，获得in2s3薄膜。

如图1所示，是本实施例制得的in2s3薄膜的光电导测试结果，薄膜光照和暗态电流比为190，光敏性能优异，响应速度快，上升时间和衰减时间分别为930ms和550ms。

实施例2

一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，包括以下步骤：

s1：基片预处理：将基片依次放入重铬酸钾溶液、丙酮、去离子水、酒精中，分别超声清洗15min。清洗干净后吹干，并置于磁控溅射腔室内，备用；

s2：预溅射：在磁控溅射仪靶枪上安装纯度为99.99％的in2s3靶材，铟硫原子比为2：3，磁控溅射仪靶枪至基片的距离为10㎝；对磁控溅射腔室抽真空至小于1×10^-3pa后，再通入纯度为99.999％的氩气；衬底温度为室温，挡板遮住衬底，设置溅射气压为2pa，开启电源起辉，待辉光稳定后，设置溅射功率为4w/㎝²，调整溅射气压为1.0pa，预溅射120s；

s3：溅射沉积in2s3薄膜：经步骤s2处理后，移开挡板，保持溅射条件，在基片进行溅射沉积，溅射时间为300s，获得in2s3薄膜。

如图2所示，是本实施例制得的in2s3薄膜的光电导测试结果，薄膜光照和暗态电流比为126，光敏性能优异，响应速度快，上升时间和衰减时间分别为820ms和860ms。

如图3所示，是本实施例保持实验参数不变时，沉积5min和30min薄膜xrd图谱。沉积时间较短时由于薄膜张力影响，薄膜近似非晶。

实施例3

一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，包括以下步骤：

s1：基片预处理：将基片依次放入重铬酸钾溶液、丙酮、去离子水、酒精中，分别超声清洗20min。清洗干净后吹干，并置于磁控溅射腔室内，备用；

s2：预溅射：在磁控溅射仪靶枪上安装纯度为99.99％的in2s3靶材，铟硫原子比为2：3，磁控溅射仪靶枪至基片的距离为12㎝；对磁控溅射腔室抽真空至小于1×10^-3pa后，再通入纯度为99.999％的氩气；衬底温度为室温，挡板遮住衬底，设置溅射气压为3pa，开启电源起辉，待辉光稳定后，设置溅射功率为5w/㎝²，调整溅射气压为0.8pa，预溅射300s；

s3：溅射沉积in2s3薄膜：经步骤s2处理后，移开挡板，保持溅射条件，在基片进行溅射沉积，溅射时间为240s，获得in2s3薄膜。

实验表明，光照和暗态电流强度比超过100倍，响应速度快，电流上升和衰减时间小于1s。

实施例4

一种具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，包括以下步骤：

s1：基片预处理：将基片依次放入重铬酸钾溶液、丙酮、去离子水、酒精中，分别超声清洗18min。清洗干净后吹干，并置于磁控溅射腔室内，备用；

s2：预溅射：在磁控溅射仪靶枪上安装纯度为99.99％的in2s3靶材，铟硫原子比为2：3，磁控溅射仪靶枪至基片的距离为8㎝；对磁控溅射腔室抽真空至小于1×10^-3pa后，再通入纯度为99.999％的氩气；衬底温度为室温，挡板遮住衬底，设置溅射气压为3pa，开启电源起辉，待辉光稳定后，设置溅射功率为5w/㎝²，调整溅射气压为1.2pa，预溅射200s；

s3：溅射沉积in2s3薄膜：经步骤s2处理后，移开挡板，保持溅射条件，在基片进行溅射沉积，溅射时间为120s，获得in2s3薄膜。

实验表明，光照和暗态电流强度比超过100倍，响应速度快，电流上升和衰减时间小于1s。

综上所述，本发明提供的具有优异光敏性能in2s3薄膜的制备方法，磁控溅射过程，高能ar离子轰击靶材获得高能粒子，在较低衬底温度沉积薄膜时，高能粒子快速冷却，原子在衬底表面迁移能量不足，沉积薄膜晶粒显著减少甚至部分为非晶态，因此能够有效提高薄膜的本征电阻率，与同样厚度结晶态薄膜相比，电阻急剧提高。作为光敏原件工作时，薄膜暗态本征电流显著降低，有利于获得具有优异光敏性能的in2s3薄膜，可见光照射下电流强度与暗态电流强度比超过100倍，光敏反应速度快，电流上升和衰减时间小于1s，可以有效用于可见光探测器领域。该制备方法，利用磁控溅射缩短制备时间，操作方便，重复性好，沉积速度快，制备成本低，适合工业化大规模生产。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。