专利名称：多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法
多元共蒸发制^镓,多晶薄膜的方法C技术领域本发明属刊恪大面积化，半导体薄膜材料和器件的技术领域，特别是一种在M或其他 Mr衬底idS行多元共蒸发制备m—Vm^tl半导体铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的方法，该方&fe可以制备合金薄,料与器件。 c背景技术热光伏技术是将受热高温热辐射体的倉^S151半导体p/n结电池直接转换成电能的技术。上世 纪60年代，美国麻省理工学院的研究人员给出了，的热光伏系统的原理和概念，但限于当时的 技术^l牛， 一直处于理论研究阶段。直到上世纟fi90年代初期，石鄉ij出了低禁带的^f七镓(GaSb) 电池，热光伏系统的一些优点才得至顿步验证。热光伏系g要的优点有理论效 高，噪音 低，无移动部件，可便携，可靠性高，高^f只比功率，高錢比功率，可将热能利用和发电结合 在一起等。目前，最具应用前景的热光伏电池材料是铟镓锑(InGaSb)材料，制备方' 雄括在掺杂的单 晶或多晶靴镓(GaSb)基片上，ffli!T散的方法形成p/n结；赫在单晶靴镓(GaSb)衬底上 ilil射萬有机化，化学气相沉积(MOCVD)或OT束外延(MBE)的方法制^Si家锑(InGaSb) p/n结薄膜。这些方法制备的铟镓锑(InGaSb)材料,都是属于糊料范围，厚度妇00网以上，需 要耗费大量的原材料。
发明内容本发明目的是解决现有方法制备的铟镓锑材料属于体材料，需要耗费大量昂贵的原材料的问 题，提供一种在玻璃或其他廉价衬底上进行多元共蒸发制备III一V族化合物半导体铟镓锑 (InGaSb)类多晶薄膜的方法。本发明旨在在玻谅或期t^衬底上实现不同的In/Ga比的多晶铟镓锑(InGaSb)薄膜的制备， 使实际的有效层厚度不皿10Mm，肖辦节省昂贵的原材料，同时可实现大面积沉积，制备大面积 薄膜半导,件。本发明提喉的多元共蒸发制，镓锑类多晶薄膜的方法，包括第一、将清洗千净并千燥的衬底与铟源、镓源、锑源蒸发源SA真空W^、统的钟罩内抽真空；第二待真空^^统内的，降到3.(M0—3pa以下，将衬底均匀加热M200-60(TC之间，并^S—衬底鹏第三、同B対丁糊源、镓源、锑源蒸发源的加热电源，分别控带條源、镓源和铟源的蒸发温 度，在锑M^发温度(300-500°C)设定基础上，调节镓,发M (400-120(TC)和铟蒸发源温 度(500-1300'C)，使其对应于不同的镓源和铟皿皿率。待蒸;^源温度恒定后，进行铟镓锑多晶薄膜的共蒸发或分步蒸发，当材料为靴镓时，材料的禁带宽度为0.72eV，当材料为謝七铟时， 材料的禁带宽度为0.18eV，调节镓源和铟源的不同蒸发温度，可以获得不同的镓源和掛 皿 率，得到不同镓賴的铟镓麟多晶薄膜，从而调节薄膜材料的禁带宽度在0.18eV至0.72eV之间。战第三步舰分别控制锑源、镓源和铟源等蒸发源鹏，使絲自蒸发，可分别制备出锑 化镓(GaSb)、 mfc铟(InSb)或铟镓锑(InGaSb)等多晶化激半导TO膜。i!31调节锑源、镓 源和铟源等蒸发源温度，控制各元素的蒸皿率，可得到不同比例的铟镓锑(InGaSb)类薄膜材 料，从而调节材料的禁带宽度。戶;M的蒸发、源采用坩锅、蒸发舟、或线性条 ， M电阻或高频加热方，蒸发源进行力口热，使於元素蒸发；蒸发源内设有耐高温热电偶作为鹏传離，对蒸发源进斤鹏控制。蒸发源由高熔材料钩、钼、钽、氧化f5、 二氧化硅、氮化硼、碳化硅、或石墨制成。戶腿的 蒸发源上方设置有可移动挡板，用于控制蒸发元素的蒸发量。蒸发源可以放置在衬底之下，由下 至上将元素蒸发到衬底上；也可以将蒸发源放置在衬底之上，由JlM下将元素蒸发到衬底上。通 过移动衬底或改变蒸发源位置(g卩调节蒸发源与衬底之间的垂都巨离，并调节蒸发源与衬底托盘 中心法线的夹角)，可提高薄膜的均匀'M以制备大面积半导^I力能器件，如大面积窄带隙热光伏 器條。戶腿的衬底材料为 的材料如玻谅、陶瓷、金属或高肝聚^tl等，刚性和柔性的均可。 衬底由加热器加热，離可调节在室温200"60(TC范围内。本发明的主要特点是1)本发明是一种多元共蒸发制备m—V族化^tJ半导体铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的制 备方法。是在真空斜牛下蒸发铟(In)、镓(Ga)、锑(Sb)沉积在衬底上；在MI莫室里设置锑蒸发源、镓蒸^:源和铟蒸:S:源的位置(调节蒸发源与衬底之间的垂都巨离)和角度(调节蒸发源与衬底髓中心法线的夹角)，使蒸繊材能有效、均匀地沉积在衬底上，瓶高原材料的利用率；舰分别控制锑源、镓源和铟源鶴发源鹏，使赂自蒸发，可分别制备出靴镓(GaSb)、锑 化铟(InSb)和铟镓锑(InGaSb)等多晶化糊半导鹏膜2) 皿设定锑源、镓源和铟源，发源，，控制各元素的蒸皿率；调节蒸;^源上^W挡板，舰齡蒸发源上的挡板打开和关闭，可控制元素的种类和蒸发量。可得到不同比例的铟 镓锑ClnGaSb)类薄膜材料，从而调节材料的禁带宽度c3) 本发明把衬底放在旋转的圆处，在制备薄鹏程中使其匀速旋货，使得制备出的薄膜 厚度均匀。4) 本发明舰移动衬底或改变蒸发源位置提高薄膜的均匀性，可制备大面积半导#^能器 件，如大面积窄带隙热光伏器f特。本发明的有M^是实现了在玻璃或其他廉价衬底上，通过多元共蒸发方法，实现可调节禁带宽度的铟镓锑 (InGaSb)类多晶薄膜的制备，是一种低成本制，镓锑(InGaSb)类多晶薄膜材料的方法。本发明可制备大面积化^l半导術薄膜材料和器件，也可以制备合金薄膜材料与器件，可应 用于相关的禾顿与zi^单位。
图l为共蒸发制备铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜的真空系统结构示飾图。具体实施方式
本发明《顿的共蒸发制，镓锑(InGaSb)多晶薄膜的真空系统结构见图l，图中^f牛分别是 l.真空系统钟，2.加热丝，3.衬底，4.挡板，5.锑蒸发源，6.锑蒸发源挡板，7.铟蒸发源，8.铟蒸 发源挡板，9J織发源，10.織发源挡板，ll.旋转髓，12.抽气孔。本发明制备的多晶薄膜厚度均匀，厚度舰沉积时间(从挡板4的打开计时至挡板4关闭)控 制，薄膜的结构特性和光学特性良好。设置锑蒸:^源5、铟蒸发源7和镓蒸^M8的位置(调节蒸发源与衬底之间的垂都巨离)和角度 (调节蒸发源与衬底髓中心法线的夹角)，使蒸繊材能有效、均匀地沉积在衬底上，瓶高原 材料的利用率；衬底加热采用热M2加热的方式；把衬底3放在旋转的圆盘上，在制备薄膜过程中 使其匀速旋转(速率为3(M50转/射中)，使得制备出的薄膜厚度均匀。控制锑蒸发源挡板6、铟蒸 发源挡板8和i竊;^源挡板10，可分别制备出^f七镓(GaSb)、 HM七铟(InSb)和铟镓锑(InGaSb)等多晶化，半导術"i膜。 鄉例i将玻璃衬底超声清洗后，用去离子水冲 遍，再用氮气吹千水汽，sA高真空mm系统的钟罩内衬底3位置，用前级泵将真空室预抽至10pa以下后，用高真^抽真空；待真空ffi系统 内的缀降到3.0xl0-3Pa以下，用加热丝2将衬底3均匀加热至3(XrC之间，^fi^一衬底離； 旋转圆盘ll，使其匀3U定转(速率为45转/辦中)；在锑源5蒸^ia度(37(TC)设定^5出上，调 节镓源9蒸发温度(90(TC)，打，源和镓源的加热电源，，mS达到设定^;待锑源5 和镓源9的鹏超股定能，同附丁TO蒸发源挡板6和镓蒸发源挡板10，稳定2辦中；打开 衬底下方的挡板4，开始GaSb薄膜的蒸发，并开々射十时，60併中后，关闭衬底下方的挡板4，关 闭锑源5和镓源9的加热电源，关闭加热丝2的加热电源；待衬底M降至10(TC以下后，关闭高 真空阀，将样品取出。该薄膜为多晶薄膜，厚度为1.3-1.5Mrn，材料的禁带宽度为0.72eV。实施例2将M衬/^声清洗后，用去离子7K冲洗数遍，再用氮气吹干水汽，置入高真空镀膜系统的钟罩内衬底3位置，用前级泵将真空室预抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空 ^统 内的缀降到3.0xl(r3Pa以下，用加热丝2将衬底3均匀加热至30(TC之间，并^S—衬底鹏； 旋转圆盘ll，使其匀 转(速率为45转/射中)；在锑源5蒸发温度G70。C)设定基础上，调 节铟源7蒸发旨(6(XTC)，打飛弟源和铟源的加热电源，，mS达到设定温度；待锑源5 和铟源7的、iat超股定值后，同时打开铺蒸发源挡板6和铟蒸发源挡板8，稳定2射中；打开衬 底下方的挡板4，开始InSb薄膜的蒸发，并开々&i十时，90併中后，关闭衬底下方的挡板4，关闭锑源5和掛源7的加热电源，关闭加热丝2的加热电源；待衬底as降至i(xrc以下后，关闭高真空阀，将样品取出。该薄膜为多晶薄膜，厚度为1.4-1.6拜，材料的禁带宽度为0.18eV。 实施例3将玻璃衬底超声清洗后，用去离子7K冲洗数遍，再用氮气吹干水汽，置入高真空 系统的钟罩内衬底3位置，用前级泵将真空室预抽至10pa以下后，用高真空泵抽真空；待真空M^统 内的气压降到3.0xl0—3pa以下，用加热丝2将衬底3均匀加热至350。C之间，并^#^一衬底驢； 旋转圆盘ll，使其匀ilJ足转(速率为45转/^l中)；在锑源5蒸发鹏(37(TC)设定基础上，调 节镓源9蒸^T温度(900°C)，调节铟源7蒸发温度(600'C)，打开锑源5、镓源9和掛源7的加热 电源，直至^Siii股定^; f機源5、镓源9和铟源7的^S达到设定i1^，同时打 m蒸 发源挡板6、镓蒸发源挡板10和铟蒸^^源挡板8，稳定2^H中;打开衬底下方的挡板4，开始GaJn卜xSb薄膜的蒸发，并开^i十时，60併中后，关闭衬底下方的挡板4，关闭锑源5、镓源9和铟源7的加 热电源，关闭加热丝2的加热电源；待衬底a^降至10(TC以下后，关闭高真空阀，将样品取出。 该薄膜为多晶薄膜，厚度为1.3-1.5拜，材料的禁带繊为0.18eV至0.72eV之间。舰调节锑源、镓源和铟源的不同蒸^i^，如锑麟发鹏改为300、或500。C，镓麟发 aS改为400、 500、 700、 1000、或1200。C，铟麟;^鹏改为500、 800、 1000、 1100或1300。C 等同样可以获得所需的铟镓锑(InGaSb)类多晶薄膜。
权利要求
1、一种多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法，其特征在于该方法包括第一、将清洗干净并干燥的衬底与铟源、镓源、锑源蒸发源置入真空镀膜系统的钟罩内抽真空；第二、待真空镀膜系统内的气压降到3.0×10-3Pa以下，将衬底均匀加热至200-600℃之间，并保持这一衬底温度；第三、同时打开铟源、镓源、锑源蒸发源的加热电源，分别控制锑源、镓源和铟源的蒸发温度，在锑源蒸发温度300-500℃的设定基础上，调节镓源蒸发温度400-1200℃和铟蒸发源温度500-1300℃，使其对应于不同的镓源和铟源蒸发速率；待蒸发源温度恒定后，进行铟镓锑多晶薄膜的共蒸发或分步蒸发，当材料为锑化镓时，材料的禁带宽度为0.72eV，当材料为锑化铟时，材料的禁带宽度为0.18eV，调节镓源和铟源的不同蒸发温度，得到不同镓含量的铟镓锑类多晶薄膜，从而调节薄膜材料的禁带宽度在0.18eV至0.72eV之间。
2、 根据权利要求l所述的方法，其特征在于第三步得到的铟镓f，多晶薄膜为謝七镓、謝七铟或铟镓锑多晶薄膜。
3、 根据权利要求i或2所述的方法，，征在于戶;M的蒸发、源，坩锅、蒸发舟、或线性条 ，舰电阻或高频加热方式对蒸发源进行加热，使於元素蒸发；蒸发源内设有耐高温热电偶作为,传自，对蒸:^源进fi^a^控制。
4、 根据权利要求3戶腿的方法，其特征在于戶脱的蒸发源由高熔材料鸨、钼、钽、氧化铝、二氧化硅、氮化硼、碳化硅、舰墨制成。
5、 根据权利要求3戶皿的方法，，征在于0M的蒸发源上方设置有可移动挡板，用于控制 蒸叙素的蒸发量。
6、 根据权利要求3戶/M的方法，，征在于戶;M的蒸发源放置在衬底之下，由下MJ:将元素 蒸发到衬底上；鹏蒸发源艘在衬底a，由±5下将元素蒸发到衬底上。
7、 根据权利要求1或2所述的方法，期寺征在于戶脱的衬底材料为玻璃、陶瓷、金属或耐高 温的高M聚，。
全文摘要
一种多元共蒸发制备铟镓锑类多晶薄膜的方法。该方法包括将衬底与铟源、镓源、锑源蒸发源置入真空镀膜系统的钟罩内抽真空；将衬底均匀加热至200-600℃之间，并保持这一衬底温度；同时打开锑源、铟源、镓源蒸发源的加热电源，分别控制其蒸发温度，锑源加热至300-500℃之间，铟源加热至400-1200℃之间，镓源加热至500-1300℃之间，使其各自蒸发，可分别制备出锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)或铟镓锑(InGaSb)等多晶化合物半导体薄膜。通过调节锑源、镓源和铟源等蒸发源温度，控制各元素的蒸发速率，可得到不同比例的铟镓锑(InGaSb)类薄膜材料，从而调节材料的禁带宽度。通过移动衬底或改变蒸发源位置，可提高薄膜的均匀性用以制备大面积半导体功能器件。
文档编号C23C14/54GK101245442SQ200810052489
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者乔在祥, 青 何, 周志强, 云 孙, 张德贤, 李胜林 申请人:南开大学