晶圆级III-VI族化合物薄膜材料、制备方法和应用

晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料、制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及可见光通信用光电探测器技术领域，尤其涉及一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料、制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，新型固态照明的高速发展，可见光通信技术也取得了长足的进步。可见光通讯是一种基于白光发光二极管技术的无线光通信技术，能同时实现照明和高速数据传输两大功能，并且具有信号密度覆盖高、保密安全性高、抗电磁干扰、频谱范围宽等特点，可以实现高速、稳定、安全的通信传输。作为不受限的空白频谱区，在信号上与传统的无线电波毫不干扰，开拓了下一代宽通信的频谱。
3.传统si基探测器尺寸的不断减小，晶体管密度呈指数增长，晶体管的短通道效应限制了自身性能的进一步提升。相比si基探测器，新型二维探测器具有体积小，易携带、易集成、击穿电场高等优势，促进了可见光探测器的进一步发展。
4.iii-vi族化合物作为新型的二维范德华半导体材料，拥有着高载流子迁移率、热稳定性高、化学稳定性好、禁带宽度随层数可调等特点，可以实现2-2.7evi的禁带宽度可调，对应于实现460-620nm波长的可见光探测。然而，由于常规的化学气相沉积技术难以实现大面积iii-vi族化合物的生长，并且生长工艺复杂，不可控，所以，目前还未有对晶圆级iii-vi族化合物薄膜的报道，这限制了可见光探测器在集成电路方面的进一步应用。
5.为此，本发明提供一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料、制备方法和应用。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料、制备方法和应用。本发明结合了电子束蒸发镀膜和化学气相沉积技术、制备了晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料。本发明的方法简单，易于操作。
7.本发明的一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料、制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：
8.本发明的第一个目的是提供一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料，包括绝缘衬底层，以及所述绝缘衬底层上依次叠层设置的iii-vi族化合物薄膜层和电极层；
9.所述iii-vi族化合物薄膜层的化学式为in2x3，且其通过以下步骤设置于所述绝缘衬底层上：
10.在所述绝缘衬底层上蒸镀一层in金属层(铟金属层)；随后，采用化学气相沉积法，以x粉末为前驱体，将所述in金属层反应形成in2x3，即获得所述iii-vi族化合物薄膜层；
11.其中，x为硫族元素。
12.进一步地，所述绝缘衬底层为si/sio2衬底层，所述si/sio2衬底层包括si层，以及所述si层上设置的sio2层；
13.且所述iii-vi族化合物薄膜层设置于所述sio2层上，将所述sio2层全部覆盖。
14.进一步地，所述硫族元素为硫、硒和碲中的任意一种。
15.进一步地，所述电极层的厚度为10～200nm；
16.所述绝缘衬底层的直径为2～4英寸，且其厚度为300nm。
17.进一步地，所述电极层包括第一电极层，以及所述第一电极层上设置的第二电极层；且所述第一电极层设置于所述iii-vi族化合物薄膜层上。
18.进一步地，所述第一电极层的材质为ti；所述第二电极层的材质为au。
19.进一步地，所述第一电极层的厚度为30～60nm；所述第二电极层的厚度为60～150nm。
20.本发明的第二个目的是提供一种上述晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：
21.步骤1，采用电子束蒸发镀膜法，在绝缘衬底层上蒸镀一层in金属层，得到晶圆级in金属层；
22.步骤2，采用化学气相沉积法，以x粉末为前驱体，在所述in金属层上形成in2x3，得到晶圆级iii-vi族化合物薄膜层；
23.步骤3，采用分子束蒸发镀膜法，在晶圆级iii-vi族化合物薄膜层上蒸镀电极层，使所述电极层与所述晶圆级iii-vi族化合物薄膜层之间形成欧姆接触，随后进行退火处理，即获得所述晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料；
24.其中，x为硫族元素。
25.进一步地，步骤2中，所述晶圆级iii-vi族化合物薄膜层通过以下步骤制得：
26.将晶圆级in金属层先于标准大气压ar气氛围下，于700～800℃的温度下退火10～30min；然后，以硫族元素为前驱体，于120～200℃的温度下退火10～30min，在所述in金属层上形成in2x3，得到晶圆级iii-vi族化合物薄膜层。
27.进一步地，步骤3中，所述退火处理的温度为400～500℃，退火时间为5～15min。
28.本发明的第三个目的是提供一种上述晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料在制备可见光通信用光电探测器中的应用。
29.本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
30.本发明利用分子束蒸发镀膜和化学气相沉积技术相结合，实现了晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料的制备，且本发明制备的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料能够作为光电探测器。克服了传统化学气相沉积技术工艺复杂、制备得到的材料面积小等问题。工艺简单。
31.本发明的制备方法操作简单且可控，不需要严苛的生长环境，对于实现高灵敏度可见光通信用光电探测器器件具有重要意义。
附图说明
32.图1为本发明晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料的纵向刨面结构示意图；
33.图2为本发明实施例1的sio2/si衬底上外延生长in2s3薄膜的拉曼表征图；
34.图3为本发明实施例1制备in2s3基可见光探测器在不同紫外光光照强度下的电流-电压曲线(365nm)图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.实施例1
37.请参阅图1，本实施例提供一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料，包括绝缘衬底层，以及所述绝缘衬底层上依次叠层设置的iii-vi族化合物薄膜层3、ti电极层4和au电极层5；
38.需要说明的是，本实施例的iii-vi族化合物薄膜层3可选的采用in2s3薄膜层。且本实施例不限定绝缘衬底层的具体材质。本实施例中，可选的采用si/sio2衬底层，且对si/sio2衬底层的来源不做限制，可以是为市售的，也可以是根据现有技术的工艺制备的，只需要确保将iii-vi族化合物薄膜层，即in2s3层设置于si/sio2衬底层的sio2层2上，且将sio2层2全部覆盖即可；也就是说，si/sio2衬底层中的si层1作为最底层。
39.本实施例中，ti电极层4的厚度为30nm，au电极层5的厚度为60nm。
40.且本实施例的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料的制备方法如下：
41.步骤1，采用电子束蒸发镀膜法，在直径为4英寸的si/sio2衬底层上蒸镀一层厚度为50nm的in金属层(铟金属层)，获得具有晶圆级in金属层的衬底；
42.需要说明的是，本实施例不限定电子束蒸发镀膜法的具体操作，只要能够在si/sio2衬底层上蒸镀一层in金属层，并使in金属层将si/sio2衬底层中的sio2层全部覆盖即可。
43.步骤2，将具有晶圆级in金属层的衬底置于化学气相沉积设备中，采用化学气相沉积法，在标准大气压ar气氛围下，于700℃的温度下退火20min：然后以硫粉为前驱体，于160℃的温度下退火20min，使硫粉与in金属层反应形成in2s3，即得到晶圆级in2s3薄膜；
44.需要说明的是，本实施例中不限制化学气相沉积设备的具体类型和型号，只要能够使本发明具有晶圆级in金属层的衬底能够满足化学气相沉积法的基本要求即可。
45.步骤3，对步骤2所述晶圆级in2s3薄膜旋涂光刻胶，光刻出所需电极形状；然后，采用分子束蒸发镀膜法，在晶圆级in2s3薄膜层上依次蒸镀ti电极层和au电极层，使得ti电极层和au电极层共同形成电极层，并且使所述电极层与所述晶圆级in2s3薄膜层之间形成欧姆接触，随后于400℃的快速退火炉中退火10min，即获得所述晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料；
46.需要说明的是，本实施例不限制电极形状的具体形状，根据实际使用场景的要求光刻出相应的电极形状即可。
47.还需要说明的是，本发明在晶圆级in2s3薄膜层上蒸镀电极层后，将未曝光的光刻胶进行剥离、清洗后再将其进行退火处理。
48.实施例2
49.本实施例提供一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料，包括绝缘衬底层，以及所述绝缘衬底层上依次叠层设置的iii-vi族化合物薄膜层3、ti电极层4和au电极层5；
50.需要说明的是，本实施例的iii-vi族化合物薄膜层3可选的采用in2se3薄膜层。且本实施例不限定绝缘衬底层的具体材质。本实施例中，可选的采用si/sio2衬底层，且对si/sio2衬底层的来源不做限制，可以是为市售的，也可以是根据现有技术的工艺制备的，只需
要确保将iii-vi族化合物薄膜层，即in2se3层设置于si/sio2衬底层的sio2层2上，且将sio2层2全部覆盖即可；也就是说，si/sio2衬底层中的si层1作为最底层。
51.本实施例中，ti电极层4的厚度为50nm，au电极层5的厚度为100nm。
52.且本实施例的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料的制备方法如下：
53.步骤1，采用电子束蒸发镀膜法，在直径为4英寸的si/sio2衬底层上蒸镀一层厚度为50nm的in金属层，获得具有晶圆级in金属层的衬底；
54.需要说明的是，本实施例不限定电子束蒸发镀膜法的具体操作，只要能够在si/sio2衬底层上蒸镀一层in金属层，并使in金属层将si/sio2衬底层中的sio2层全部覆盖即可。
55.步骤2，将具有晶圆级in金属层的衬底置于化学气相沉积设备中，采用化学气相沉积法，在标准大气压ar气氛围下，于800℃的温度下退火30min；然后以硒粉为前驱体，于120℃的温度下退火10min，使硒粉与in金属层反应形成in2se3，即得到晶圆级in2se3薄膜；
56.需要说明的是，本实施例中不限制化学气相沉积设备的具体类型和型号，只要能够使本发明具有晶圆级in金属层的衬底能够满足化学气相沉积法的基本要求即可。
57.步骤3，对步骤2所述晶圆级in2se3薄膜旋涂光刻胶，光刻出所需电极形状；然后，采用分子束蒸发镀膜法，在晶圆级in2se3薄膜层上依次蒸镀ti电极层和au电极层，使得ti电极层和au电极层共同形成电极层，并且使所述电极层与所述晶圆级in2se3薄膜层之间形成欧姆接触，随后于450℃的快速退火炉中退火10min，即获得所述晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料；
58.需要说明的是，本实施例不限制电极形状的具体形状，根据实际使用场景的要求光刻出相应的电极形状即可。
59.还需要说明的是，本发明在晶圆级in2s3薄膜层上蒸镀电极层后，将未曝光的光刻胶进行剥离、清洗后再将其进行退火处理。
60.实施例3
61.本实施例提供一种晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料，包括绝缘衬底层，以及所述绝缘衬底层上依次叠层设置的iii-vi族化合物薄膜层3、ti电极层4和au电极层5；
62.需要说明的是，本实施例的iii-vi族化合物薄膜层3可选的采用in2te3薄膜层。且本实施例不限定绝缘衬底层的具体材质。本实施例中，可选的采用si/sio2衬底层，且对si/sio2衬底层的来源不做限制，可以是为市售的，也可以是根据现有技术的工艺制备的，只需要确保将iii-vi族化合物薄膜层，即in2te3层设置于si/sio2衬底层的sio2层2上，且将sio2层2全部覆盖即可
63.本实施例中，ti电极层4的厚度为30nm，au电极层5的厚度为100nm。
64.且本实施例的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料的制备方法如下：
65.步骤1，采用电子束蒸发镀膜法，在直径为4英寸的si/sio2衬底层上蒸镀一层厚度为50nm的in金属层，获得具有晶圆级in金属层的衬底；
66.需要说明的是，本实施例不限定电子束蒸发镀膜法的具体操作，只要能够在si/sio2衬底层上蒸镀一层in金属层，并使in金属层将si/sio2衬底层中的sio2层全部覆盖即可。
67.步骤2，将具有晶圆级in金属层的衬底置于化学气相沉积设备中，采用化学气相沉
积法，在标准大气压ar气氛围下，于750℃的温度下退火30min；然后以锑粉为前驱体，于200℃的温度下退火30min，使锑粉与in金属层反应形成in2te3，即得到晶圆级in2te3薄膜；
68.需要说明的是，本实施例中不限制化学气相沉积设备的具体类型和型号，只要能够使本发明具有晶圆级in金属层的衬底能够满足化学气相沉积法的基本要求即可。
69.步骤3，对步骤2所述晶圆级in2te3薄膜旋涂光刻胶，光刻出所需电极形状；然后，采用分子束蒸发镀膜法，在晶圆级in2te3薄膜层上依次蒸镀ti电极层和au电极层，使得ti电极层和au电极层共同形成电极层，并且使所述电极层与所述晶圆级in2te3薄膜层之间形成欧姆接触，随后于500℃的快速退火炉中退火5min，即获得所述晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料。
70.试验部分
71.(一)拉曼测试
72.为了验证本发明晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料中in2x3薄膜层的成功制备，本发明以实施例1制备的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料为例，对其sio2/si衬底上外延生长in2s3薄膜在波长为532nm的激光下进行了拉曼测试，结果如图2所示。
73.由图2可以看出，显示出了in2s3的拉曼特征峰，表明本发明实施例1中in2s3薄膜的成功制备。
74.(二)电流-电压曲线测试
75.为了说明本发明晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料能够作为可见光探测器使用，本发明以实施例1制备的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料为例作为可见光探测器，并测试了其在不同紫外光光照强度下的电流-电压曲线(365nm)，测试结果如图3所示。
76.由图3可以看出，光电流随光功率的增大而增大，揭示了实施例1的可见光探测器显著的光电特性，表明本发明的晶圆级iii-vi族化合物薄膜材料能够作为可见光探测器应用于可见光探测器方面的研究中。
77.显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。