Si薄膜的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Mg2Si半导体薄膜的制备方法，尤其涉及一种在非娃衬底上制备Mg2 S i半导体薄膜的方法。
【背景技术】
[0002]Mg2Si是一种具有反萤石结构的金属硅化物环境友好半导体材料，价格低廉、元素无毒无污染。带隙值在0.6eV-0.8eV之间，在红外传感器、红外光LED等光电器件领域具有广阔的应用前景;具有很高的热电系数(ZT>1)、很低的热导率和电阻率，在热电器件中具有重要应用价值。它有望逐步取代以前有毒或容易造成环境污染的半导体材料，具有较大的社会效益及环境效益。目前，国内外Mg2Si薄膜主要是在硅衬底上制备的，如利用磁控溅射、热蒸发、热扩散方法在娃衬底上沉积一层M g经高温退火后形成M g 2 S i薄膜(专利〇吧01010147304.2，0吧01210455881.7，0吧00710064777.4)，或采用分子束外延技术镁硅共沉积的方法在硅衬底上制备出Mg2Si薄膜(文献PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 54，NUMBER23)。这些方法虽然均能制备出高质量的Mg2Si薄膜，但由于以下几个方面的原因，这些方法在Mg2Si薄膜器件制备中受到很大的限制。(1)硅衬底的导电类型会直接影响Mg2Si薄膜导电类型的测试，如硅衬底为η型，测得的未刻意掺杂的Mg2Si薄膜也为η型;若硅衬底为ρ型，测得的未刻意掺杂的Mg2Si薄膜也为ρ型。因此在硅衬底上无法直接获得Mg2Si薄膜的导电类型。(2)由于在硅衬底上生长的Mg2Si薄膜是利用金属镁的高活性，在适当的温度下与硅进行固相反应而得到的。反应后，Mg2Si与硅的界面很不平整，存在诸多缺陷，这些缺陷将会严重影响Mg2Si薄膜器件的性质。(3)由于硅的导热性能很好，而具有良好性能的热电器件的关键因素是材料的热导率尽可能低，所以在硅衬底上制备Mg2Si薄膜热电器件受到了极大的限制。(4)LED产业中，蓝宝石衬底是目前的主流选择，几乎占据99%的市场，其制造技术成熟性、稳定性等方面现在都比硅衬底好，硅衬底LED的良率、光效以及成本等依旧是当下亟待解决的问题，因此，其市场认同度不够，参与推广应用的企业少。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是:供一种在非硅衬底上制备高质量的Mg2Si半导体薄膜的方法，以克服现有技术存在的硅衬底上的Mg2Si薄膜导电类型无法直接测量、Mg2Si/Si界面缺陷密度大、硅衬底上的热电器件性能不佳、硅衬底LED的良率低、光效差、难于工业化推广等缺点。
[0004]本发明的技术方案是:一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，包含以下步骤:第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜，然后在Si膜上沉积一层Mg膜;第二、退火工艺，沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg2Si半导体薄膜。
[0005]所述非硅衬底为玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底或石墨衬底。
[0006]所述高真空薄膜沉积系统为磁控溅射系统、热蒸发系统薄膜的物理气相沉积系统。
[0007]Si膜厚度为 125-225 nm。
[0008]Mg膜的厚度为 190-250 nm。
[0009]在沉积Si膜和Mg膜前，对预先装在真空系统的Si和Mg预处理，以去除S1、Mg表面的氧化物污染物。
[0010]退火前对退火炉抽真空，使其背底真空小于等于10-4Pa。
[0011 ] 退火过程中，保持退火炉腔体内气压为10-l-10_2Pa，退火时间为3.5_4.5小时，退火温度为350-450°C。
[0012]本发明的有益效果:由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明在非硅衬底上成功制备了结晶质量好、表面平整的Mg2Si半导体薄膜，合成的Mg2Si薄膜中不含富余的Mg或Si，也不含MgO或Si02等杂质，为Mg2Si半导体薄膜的器件开发利用奠定良好的基础。本发明制备的Mg2Si薄膜的导电类型不受衬底影响；能与其它半导体材料形成界面平整、缺陷密度低的高质量异质结;能充分利用Mg2Si是优良的热电材料这一性质制备出高质量的热电器件;能大大提高基于Mg2Si薄膜的LED的效率。本发明利用的磁控溅射或热蒸发设备简单、易于操作，可以制备均匀、大面积的薄膜，有利于工业化大规模生产。
【附图说明】
[0013]图1为本发明在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的工艺流程图；
图2为本发明的样品X射线衍射图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射15minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的X射线衍射图；
图3为本发明的样品X射线衍射图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射17.5minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的X射线衍射图；
图4为本发明的样品X射线衍射图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射20minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的X射线衍射图；
图5为本发明的样品扫描电镜图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射15minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的扫描电镜图；
图6为本发明的样品扫描电镜图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射17.5minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的扫描电镜图；
图7为本发明的样品扫描电镜图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射20minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0014]本发明的实施例:
(1)清洗玻璃基片。玻璃基片分别用双氧水、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20分钟，吹干后送入磁控溅射系统的样品室，进行反溅射清洁玻璃基片表面。之后送入磁控溅射系统的溅射室。
[0015](2)在玻璃基片上直流溅射沉积Si膜。溅射室背底气压为2.0x10—5Pa。溅射沉积过程中，溅射功率为110 W，氩气(99.999%纯度)流量15 sccm，溅射气压为2.0 Pa，溅射时间为25 min，这样的沉积条件下，溅射沉积Si膜的厚度约175 nm。溅射时衬底温度为室温。在溅射Si膜前，首先对预先装在溅射室的Si靶预溅射，去除Si靶上的氧化物。
[0016](3)在Si膜上射频溅射沉积Mg膜。溅射沉积过程中，溅射功率为100 W，氩气(99.999%纯度)流量30 sccm，溅射气压为3.0 Pa，溅射时间为15-20 min，这样的沉积条件下，溅射沉积Mg膜的厚度约190-250 nm。溅射时衬底温度为室温。在溅射Mg膜前，首先对预先装在溅射室的Mg靶预溅射，去除Mg靶上的氧化物。
[0017](4)将衬底/ Si / Mg样品放入高真空退火炉中退火。退火炉背底气压为4.0x10—4Pa。退火时气压保持在1.5x10—2Pa，退火时间为4 h，退火温度为400°C。
[0018]上述薄膜制备完成后，我们利用X射线衍射仪和扫描电镜对薄膜进行了测试，结果表明:
从图2-4中所示相同的Si膜厚度、不同的Mg膜厚度的X射线衍射图可以看出，生成的Mg2Si结晶质量非常好，具有高度的(220)择优取向。
[0019]从图5-7中所示的相同的Si膜厚度、不同的Mg膜厚度的扫描电镜图(放大10000倍)可以看出，生成的Mg2Si晶粒分布均匀，表面非常平整，说明制备的Mg2Si薄膜质量很好。
[0020]以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改等同替换以及改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种在非娃衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:包含以下步骤:第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜，然后在Si膜上沉积一层Mg膜;第二、退火工艺，沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg2Si半导体薄膜。2.根据权利要求1所述的一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:所述非硅衬底为玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底或石墨衬底。3.根据权利要求1所述的一种在非娃衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:所述高真空薄膜沉积系统为磁控溅射系统、热蒸发系统薄膜的物理气相沉积系统。4.根据权利要求1所述的一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:Si膜厚度为 125-225 nm。5.根据权利要求1所述的一种在非娃衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:Mg膜的厚度为 190-250 nm。6.根据权利要求1所述的一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:在沉积Si膜和Mg膜前，对预先装在真空系统的Si和Mg预处理，以去除S1、Mg表面的氧化物污染物。7.根据权利要求1所述的一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:退火前对退火炉抽真空，使其背底真空小于等于10—4Pa。8.根据权利要求1所述的一种在非娃衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于:退火过程中，保持退火炉腔体内气压为10—MO—2Pa，退火时间为3.5-4.5小时，退火温度为350-450?C。
【专利摘要】本发明公开了一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于：包含以下步骤：第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜，然后在Si膜上沉积一层Mg膜；第二、退火工艺，沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg2Si半导体薄膜。
【IPC分类】C23C14/22, C23C14/18, C23C14/16, C23C14/58, C23C14/24, C23C14/35
【公开号】CN105483617
【申请号】CN201511002465
【发明人】谢泉, 廖杨芳, 肖清泉, 梁枫, 王善兰, 吴宏仙, 房迪, 张晋敏, 陈茜, 谢晶, 范梦慧, 黄晋, 章竞予
【申请人】贵州大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月29日