专利名称：等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种半导体薄膜，特别是一种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜，属于半导体材料领域。
背景技术：
热光伏发电系统是将热能转换成电能的装置。它通过热源加热发光材料使之产生近红外的光辐射，再通过半导体光伏电池将光能转换成电能，具有能量密度大、转换效率高等优点，等离子滤波器是热光伏系统中的关键装置之一，可以显著提高系统的能量转换效率，滤波器材料一般为高载流子浓度、宽带隙半导体薄膜。等离子体滤波器的基本特点是对频率高于滤波器等离子体频率ωp但低于滤波器材料本身带隙的光具有很高透过率，而对低于ωp的光则具有高反射率。经文献检索发现，T.J.Coutts在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》(可再生与可持续能源综述)，第3卷(1999)77-184页报道了传统的等离子体滤波器材料，即透明导电氧化物(TCO)，这类材料虽然带隙很大(＞3.2eV)，但由于其电子有效质量比较大(约0.35m0)，自由载流子吸收带较宽，很大程度上阻碍了滤波器性能的提高，并指出要有效利用等离子体滤波器的唯一可能是采用高浓度、高迁移率的半导体材料，并且把滤波器集成到整个热光伏器件结构中。文献检索中还发现，H.Ehsani等人在《Journal of Applied Physics》(应用物理杂志)，第81卷(1997)432-439页，报道了用硅(Si)来做等离子体滤波器，其优点是硅的生长工艺已经很成熟，成本低。他们通过两种方法获得所需要的高载流子浓度扩散技术和离子注入之后再进行高温退火，调整条件即可以控制载流子浓度。但是对这些Si薄膜等离子体滤波器的光学性质研究中发现，虽然对等离子体频率以下的光反射率最大可达到85％，但是对等离子体频率以上的光(即可利用光)透射率普遍较低(＜50％)，不利于可利用光的透过，而且掺杂后造成的缺陷也导致了近红外波段较大的光吸收。另外从Si本身的性质来说，由于Si的带隙较小(1.1eV)，造成滤波器的透过带(ωp与带隙对应频率之间)比较窄，也限制了有用光的充分透过；而且要通过重掺杂才能达到所要求的高载流子浓度，使工艺复杂化。
发明内容
本发明针对背景技术中TCO和硅材料在等离子体滤波器应用上的不足，提供一种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜，使其更有效地将可利用的光透过，而将不可利用的光反射回热源，提高热光伏系统的能量转换效率。本发明是根据以下的技术方案实现的，本发明用磁控溅射法生长氮化铟(InN)薄膜，采用纯度为99.999％的金属铟作为靶，纯氮气为溅射气体，得到的氮化铟薄膜中In元素和N元素的原子百分比为1∶1，因而具有较好的晶体质量。
用磁控溅射法生长的氮化铟薄膜为n型半导体，不需掺杂就具有等离子体滤波器所需要的很高的电子浓度(1020cm-3量级)。在氮化铟薄膜的生长过程中，以控制衬底温度和溅射气压，改变氮化铟电子浓度，以控制溅射时间控制薄膜厚度，以适合不同滤波器的需要，因为热光伏系统中不同的光伏电池，需要具有与其带隙相对应的等离子体频率的等离子体滤波器。
氮化铟的电子有效质量m*较小(0.115m0)，根据公式ωp＝(4πne2/ε∞m*)1/2，如果有效质量较小，在较低的载流子浓度下就能达到所要求的等离子体频率ωp，大大减少了自由载流子吸收；磁控溅射法生长的氮化铟带隙大约为1.9eV，因此它的透过带比Si要宽；另外，氮化铟与通常使用的光伏电池材料同为III-V族半导体，有利于整个热光伏系统的集成。
本发明具有实质性特点和显著进步，具有很好的滤波性能，并具有光损失小、透过范围大和利于系统集成的优点。
具体实施例方式
以下结合实例进一步说明本发明的内容等离子体滤波器性能对热光伏系统关键参数为等离子体频率(波长)、反射率、透射率、吸收率及透过带宽等，而这些性能又决定于半导体薄膜本身的性质。以光伏电池带隙为0.75、0.70和0.65eV为例，所需氮化铟薄膜载流子浓度分别为3.95、3.45和2.95(×1020cm-3)，对应等离子体波长λp分别为1.65、1.77和1.91μm，需要薄膜厚度2μm左右。
用磁控溅射法生长氮化铟半导体薄膜，溅射室真空度为10-7Torr，衬底与靶之间距离固定为30mm，溅射功率恒定为100W。薄膜厚度通过溅射时间来控制，载流子浓度的控制条件为衬底温度和溅射气压。在一系列不同条件生长氮化铟薄膜。
通过特定的检测方法，可以检测氮化铟薄膜的载流子浓度，薄膜厚度以及作为滤波器时的反射率、透射率、吸收率及透过带宽等，然后确定薄膜的生长条件。对于步骤1中选择的三个实施例，选择的生长条件为衬底温度100℃，溅射气压分别为5、10和15mTorr，溅射时间为60分钟。薄膜的实际参数分别为n＝3.90×1020cm-3，λp＝1.67μm，d＝2.01μm；n＝3.55×1020cm-3，λp＝1.75μm，d＝1.98μm；n＝2.95×1020cm-3，λp＝1.91μm，d＝1.73μm。从滤波器性能看，这三种氮化铟薄膜是符合滤波器要求的，ωp以下反射率超过85％，ωp与带隙对应频率之间的透射率约80％，具有良好的滤波性能。其反射率已接近透明导电氧化物等离子体滤波器在理想情况下的计算值，而其吸收带(ωp附近)较窄，因此光损失较小；而其透射性能也明显优于硅等离子体滤波器的相应值(＜50％)。
权利要求
1.一种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜，其特征在于用磁控溅射法生长氮化铟薄膜，采用纯度为99.999％的金属铟作为靶，纯氮气为溅射气体，得到的氮化铟薄膜中In元素和N元素的原子百分比为1∶1。
2.根据权利要求1所述的这种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜，其特征是用磁控溅射法生长的氮化铟薄膜，溅射室真空度为10-7Torr，衬底与靶之间距离固定为30mm，溅射功率恒定为100W。
3.根据权利要求1所述的这种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜，其特征是在氮化铟薄膜的生长过程中，用磁控溅射法生长的氮化铟薄膜为n型半导体，以控制衬底温度和溅射气压改变氮化铟电子浓度，以控制溅射时间来控制薄膜厚度。
4.根据权利要求1所述的这种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜，其特征是以光伏电池带隙为0.75、0.70和0.65eV为例，所需氮化铟薄膜载流子浓度分别为3.951020cm-3、3.451020cm-3和2.95×1020cm-3，对应等离子体波长λp分别为1.65、1.77和1.91μm，需要薄膜厚度2μm。
全文摘要
一种等离子体滤波器氮化铟半导体薄膜属于半导体材料领域。本发明提供一种磁控溅射法生长的半导体氮化铟薄膜作为等离子体滤波器材料，薄膜中In元素和N元素的原子百分比为1∶1，具有较好的晶体质量，不需掺杂就能达到等离子体滤波器所需要的高电子浓度，通过控制生长条件，可以方便的调节薄膜的电子浓度和薄膜厚度，适应不同滤波器的要求，具有很好的滤波性能，并具有光损失小、透过范围大和利于系统集成的优点。
文档编号H01L31/0232GK1405900SQ0214510
公开日2003年3月26日 申请日期2002年11月7日 优先权日2002年11月7日
发明者沈文忠, 钱志刚 申请人:上海交通大学