合金薄膜及其制备方法

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合金薄膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体材料与器件制备领域,具体涉及一种Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜及其制备方法。
【背景技术】
[0002]硒化锑(Sb2Se3)和硫化锑(Sb2S3)同属于V - VI族化合物半导体,结构和性质相似,禁带宽度分别在1.20eV和1.70eV左右,都具有良好的光电响应和热电效应,可以用来制备光电探测器件和热电器件。而且其储量丰富,对环境友好,这些特性使其成为具有广泛应用前景的无机半导体材料。然而国际上对Sb2Se3薄膜和Sb2S3薄膜的研究与运用尚处于起步阶段。
[0003]为了得到禁带宽度和能带位置更加合适的无机半导体材料,我们制备出了Sb2(Sex, Si x)3合金薄膜,通过调节其组分,使其禁带宽度在1.20eV(Sb2Se3的禁带宽度)至lj1.70eV(Sb2S3的禁带宽度)之间连续可调,能带位置也能得到优化,是提高器件性能的一种有效的方法。
[0004]目前制备Sb2Se3薄膜和Sb2S3薄膜的方法主要有溶液法和真空热蒸发法。但溶液法机械化程度低、过程繁杂,不易大规模生产,很难实现工业化。而真空热蒸发法制备薄膜时蒸发源与衬底的距离较远,这就对真空度有较高的要求,而且原料的利用率特别低,大部分都会沉积到腔室侧壁上,蒸发速率也受到限制。
[0005]美国专利6444043号,提出一种近空间升华法制备CdS和CdTe薄膜的方法。近空间升华法具有制备工艺简单、沉积速率高、生产成本低、源材料利用率高等优点,具有广阔的应用前景;然而该方法比较适用于CdS和CdTe这种在蒸发过程中没有组分偏差的二兀化合物。Sb2(Sey, Sj y)3合金粉末在加热蒸发的过程中会发生分解,由于Sb、Se和S在蒸发温度范围内的饱和蒸汽压有较大的差别,所以在衬底上沉积出来的Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜与Sb2(Sey,Si y)3合金粉末蒸发源在组分上会有偏差,从而限制了近空间升华法在Sb2 (Sex, Si J 3合金薄膜中的应用。

【发明内容】

[0006]本发明提供一种Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜,同时提供其制备方法,解决现有Sb2Se3和Sb2s3薄膜禁带宽度和能带位置固定的问题,以实现禁带宽度和能带位置的连续可调,得到禁带宽度和能带位置更加合适的无机半导体材料。
[0007]本发明所提供的Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜,其特征在于:
[0008]其由Sb2(Sey,Si y)3合金粉末作为蒸发源或者摩尔分数分别为z和l_z的Sb2Se3粉末和Sb2S3粉末混合作为蒸发源,通过近空间升华法在衬底上制得,其化学表达式为Sb2 (Sex, Si J 3,其厚度小于或等于3 μ m ;
[0009]其中,y为阴离子中Se的摩尔分数,l_y为阴离子中S的摩尔分数,0 < y < 1 ;0
<z < 1 ;
[0010]X为阴离子中Se的摩尔分数,1-X为阴离子中S的摩尔分数,0 < x < 1 ;
[0011 ] Sb2 (Sex, Si x) 3合金薄膜中的x与Sb2 (Sey, S: y) 3合金粉末中y的关系为:x =1.954y3-3.567y2+2.592y-0.006 ;
[0012]Sb2(Sex, Si x)3合金薄膜中的x与混合粉末中Sb2Se3的摩尔分数z的关系为:x =1.905z3-3.613z2+2.708z_0.005。
[0013]所述衬底材料可以采用钙钠玻璃、Sn02:F透明导电玻璃、In203:Sn透明导电玻璃、表面镀有Mo薄膜的钙钠玻璃、表面镀有CdS薄膜的Sn02:F透明导电玻璃或者表面镀有Ti02薄膜的Sn02: F透明导电玻璃。
[0014]所述Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜的制备方法,包括制备蒸发源步骤和蒸发沉积合金薄膜步骤,其特征在于:
[0015](1)制备蒸发源步骤:将Sb2(Sey,Si y) 3合金粉末作为蒸发源,其中阴离子中Se的摩尔分数0 < y < 1 ;
[0016]或者将摩尔分数分别为z和Ι-z的Sb2Se3粉末和Sb2S3粉末混合均匀后作为蒸发源,0 < z < 1 ;
[0017](2)沉积合金薄膜步骤:将衬底和所述蒸发源放入真空度不低于10Pa的近空间升华装置中,分别加热衬底和蒸发源,在衬底上形成Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜;其中,x为阴离子中Se的摩尔分数,1-x为阴离子中S的摩尔分数,0 < X < 1 ;
[0018]其中衬底的温度为25V?450°C,蒸发源的温度为350°C?800°C,蒸发源加热时间为Is?lh,蒸发源与衬底之间的距离为1mm?20mm。
[0019]通过调节衬底和蒸发源温度、加热时间以及蒸发源和衬底之间的距离,可以沉积出不同厚度的sb2 (Sex, Si J 3合金薄膜。
[0020]本发明通过近空间升华法制备出了 5132(5^51:!)3合金薄膜,制备工艺简单、沉积速率高、生产成本低,可以在不同衬底上制备出禁带宽度在1.20eV(Sb2Se3的禁带宽度)到1.70eV(Sb2S3的禁带宽度)连续可调的Sb2(Sex,S: x)3合金薄膜,而且其禁带宽度与阴离子中Se的摩尔分数X具有较好的线性关系,如图11所示;通过拟合得到衬底上Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜中的X与Sb2(Sey,Si y)3合金粉末中y的关系如图12所示,对应的函数关系可以表达为X = 1.954y3-3.567y2+2.592y-0.006 ;以及衬底上Sb2(Sex, S! x)3合金薄膜中的x与混合粉末中Sb2Se3的摩尔分数z的关系,如图13所示,对应的函数关系可以表达为X =1.905z3-3.613z2+2.708z-0.005。该函数关系可以使Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜的组分更容易调控,从而将近空间升华法更好的应用于Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜的制备中来。该方法制备出来的合金薄膜均匀致密、结晶度高,适合工业化生产,可用于制备高质量的太阳能电池、光电探测器等光电器件。
[0021]该方法不仅可以用来制备Sb2(Sex,Si x)3合金薄膜,对于制备纯的Sb2Se3薄膜和Sb2s3薄膜也同样适用。
【附图说明】
[0022]图1为近空间升华法装置示意图;图中标记:石英管1、上石墨板2、下石墨板3、上加热管4、下加热管5、出气口 6、进气口 7、热电偶8、衬底9、蒸发源10。
[0023]0 2(A) %实施例 1 中 Sb2(Sea99,S。.Q1)3 合金薄膜的 XRD 图谱;
[0024]图2(B)为实施例1中Sb2(Sea99,SQ.Q1)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0025]图3㈧为实施例2中Sb2 (Se0.75,S0.25) 3合金薄膜的XRD图谱;
[0026]图3(B)为实施例2中Sb2(Sea75, S0 25)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0027]0 4(A) %实施例 3 中 Sb2(Se0.62,S0.38)3 合金薄膜的 XRD 图谱;
[0028]图4(B)为实施例3中Sb2(Sea62,Sa3S)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0029]0 5(A) %实施例 4 中 Sb2(Se0.42,S0.58)3 合金薄膜的 XRD 图谱;
[0030]图5(B)为实施例4中Sb2(Sea42, S0.58)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0031]图6(A)为实施例5中Sb2(Sea27,SQ.73)3合金薄膜的XRD图谱;
[0032]图6(B)为实施例5中Sb2(Sea27, S0.73)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0033]图7 (A)为实施例6中Sb2 (Se0.01, S0.99) 3合金薄膜的XRD图谱;
[0034]图7⑶为实施例6中Sb2(Sea()1,S0 99)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0035]图8㈧为实施例7中Sb2 (Se0.24,S0.76) 3合金薄膜的XRD图谱;
[0036]图8(B)为实施例7中Sb2(Sea24, S0.76)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
[0037]图9㈧为实施例8中Sb2 (Se0.40, S0.J 3合金薄膜的XRD图谱;
[0038]图9(B)为实施例8中Sb2(Sea4。,S0 60)3合金薄膜的扫描电子显微镜图片;
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