一种单一相Mg2Si半导体薄膜的制备工艺

摘要

本发明公开了一种单一相Mg2Si半导体薄膜的制备工艺，它包括以下过程：第一、Si衬底上蒸发沉积Mg膜,首先将Si片清洗干燥,将Si片固定在电阻热蒸发室上方的样品架上，Mg颗粒放置在蒸发坩埚内，进行蒸镀；第二、退火工艺，蒸镀完成后的Si片置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备出单一相Mg2Si半导体薄膜；解决了现有技术存在的实验条件苛刻，成本较高，难于工业化推广等缺点，以及采用电子束蒸发沉积工艺，在退火炉中退火过程中采用氩气氛围退火，有MgO氧化物等杂质的产生，最终影响Mg2Si的品质等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种单一相Mg₂Si半导体薄膜的制备工艺。

背景技术

Mg₂Si作为一种拥有良好发展前景的金属硅化物环境友好半导体材料，具有以下特点：元素Mg、Si的原料资源丰富、地壳蕴藏量大、价格低廉；元素无毒无污染，Mg₂Si耐腐蚀、抗氧化。环境友好半导体Mg₂Si材料之所以具有广阔的应用前景，还因为它具有一系列优良的特性，如其制备方法与现有的Si基微电子工艺相兼容，减少了生产设备升级带来的成本压力；1.2-1.8 μm红外线波段适用于现代通讯器件；与n型Si有着很好的欧姆接触，接触电阻率为2.2×10^-7 W·cm，比金属Al还小一个数量级。同时，Mg₂Si被认为是一种热电效率高(ZT>1)的热电材料。在光电及热电性质的研究方面，作为一种窄带隙半导体材料，Mg₂Si在红外传感器领域有一定的应用前景，通过掺杂不同元素进行分析，证明了Mg₂Si具有良好的热电材料应用前景。总之，Mg₂Si薄膜材料在光电器件、电子器件、能源器件领域具有重要的应用前景，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。目前已经有多种技术被应用于Mg₂Si薄膜材料的制备，其中包括：脉冲激光沉积，分子束外延，离子束合成等，这些方法均存在实验条件苛刻，成本较高，难于工业化推广等缺点，采用电子束蒸发沉积工艺，在退火炉中退火过程中采用氩气氛围退火，发现会有MgO氧化物等杂质的产生，最终影响Mg₂Si的品质。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种单一相Mg₂Si半导体薄膜的制备工艺，以克服现有技术存在的实验条件苛刻，成本较高，难于工业化推广等缺点，以及采用电子束蒸发沉积工艺，存在有MgO氧化物等杂质，最终影响Mg₂Si的品质等问题。本发明技术方案：

一种单一相Mg₂Si半导体薄膜的制备工艺，它包括以下过程：第一、Si衬底上蒸发沉积Mg膜, 首先将Si片清洗干燥,将Si片固定在电阻热蒸发室上方的样品架上，Mg颗粒放置在蒸发坩埚内，进行蒸镀；第二、退火工艺，蒸镀完成后的Si片置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备出单一相Mg₂Si半导体薄膜。

在Si片清洗干燥过程中，先将Si片裁切至所需形状尺寸，将其用无水乙醇、丙酮超声波清洗，再使用去离子水超声波清洗；将清洗干净的样品置于干燥箱中70 ℃条件下烘干。使用压片将Si片固定在电阻热蒸发室上方的样品架上。

在进行蒸镀前，先对电阻热蒸发室抽真空，当真空度小于等于2.0×10^-4 Pa时，开始蒸镀；蒸发电流逐步加到80 A，正式开始蒸镀；蒸镀时的电阻式热蒸发的功率为16～19 KW，蒸发速率保持在18-24 nm/min，蒸发时间为15-18 min。

退火过程中，高真空退火炉中的退火炉背底真空小于等于10^-3 Pa，退火前调节角阀，使真空保持在10^-1 Pa-10^-2 Pa之间。

退火过程中，退火时间3-7 h,退火温度350 ℃-450 ℃。

在Si衬底上制备了单一相Mg₂Si半导体薄膜，即在Si衬底上制备的Mg₂Si半导体薄膜中不含MgO或Mg晶粒等其它相物质。

本发明有益效果：

采用本发明-低真空条件下退火方式，制备了单一相Mg₂Si半导体薄膜，合成的Mg₂Si薄膜中不含MgO或Mg晶粒等杂质的，为Mg₂Si半导体薄膜的器件开发利用奠定良好的基础。

本发明采用电阻式热蒸发沉积和低真空退火技术，制备单一相Mg₂Si半导体薄膜。电阻式热蒸发沉积技术的基本原理是，把蒸发材料放入适当的电阻加热体内，通电使蒸发材料直接加热蒸发，从而使蒸发材料以气态形式沉积到基片上形成薄膜；本发明首先采用电阻式蒸发技术沉积280-480 nm纯金属Mg膜在Si单晶基片上，形成Si/Mg薄膜结构，随后置于真空退火炉中退火。退火炉背底真空小于等于10^-3 Pa，退火前调节角阀，使背底真空保持在10^-1 Pa-10^-2 Pa之间；退火时间3-7小时,退火温度350 ℃-450 ℃，获得单一相Mg₂Si半导体薄膜；本发明的制备工艺，在低真空条件下进行退火处理，处理过程中避免了氧气等其他气体进入，制备的单一相Mg₂Si半导体薄膜，不含MgO或Mg晶粒等其它相杂质物质，同样，若在高真空条件下退火，由于金属Mg为高蒸汽压元素，造成金属Mg全部或部分挥发，不利于Si、Mg原子扩散以形成Mg₂Si薄膜。因此本发明采用低真空条件下进行退火处理，以获得单一相Mg₂Si半导体薄膜，与现有技术相比，本发明具有生产成本较低，能够进行工业化生产的优点，解决了现有技术存在的实验条件苛刻，成本较高，难于工业化推广等缺点，以及采用电子束蒸发沉积工艺，在退火炉中退火过程中采用氩气氛围退火，有MgO氧化物等杂质的产生，最终影响Mg₂Si的品质等问题，本发明制备了不含MgO或Mg晶粒等杂质的单一相Mg₂Si半导体薄膜，为Mg₂Si半导体薄膜的器件开发利用奠定良好的基础。

附图说明

图1为本发明的样品X射线衍射图，在400 ℃退火时间分别为3-7 h的X射线衍射图；

图2为本发明的样品扫描电镜图，在400 ℃退火时间分别为3 h的扫描电镜图；

图3为本发明的样品扫描电镜图，在400 ℃退火时间分别为4 h的扫描电镜图；

图4为本发明的样品扫描电镜图，在400 ℃退火时间分别为5 h的扫描电镜图；

图5为本发明的样品扫描电镜图，在400 ℃退火时间分别为6 h的扫描电镜图；

图6为本发明的样品扫描电镜图，在400 ℃退火时间分别为7 h的扫描电镜图；

图7为本发明的样品X射线衍射图，在300-450 ℃温度退火5 h的X射线衍射图。

具体实施方式

实施例1：

（1）将试验用Si片裁切至所需大小；首先，分别用无水乙醇、丙酮超声波震荡20分钟，目的是去除硅片表面有机物，再使用去离子水超声波清洗5次，每次10分钟；最后将清洗干净的样品置于干燥箱中70 ℃条件下烘干为止；

（2）试验用Si片由于面积较小，使用弹片固定在蒸镀室上方的样品架上。高纯Mg颗粒直接放置在蒸发坩埚内；

（3）对蒸镀室抽真空，当真空度小于等于2.0×10^-4 Pa时，并保持一段时间；

（4）当真空度再次小于等于2.0×10^-4 Pa时，加热电流逐步加到80 A，开始蒸镀；蒸镀时的电阻式热蒸发的功率为18 KW，蒸发速率保持在18-24 nm/min，蒸发时间为16 min；

（5）蒸镀完成后自然冷却至室温，再取出并置于高真空退火炉中，退火炉背底真空小于等于10^-3 Pa，退火前调节角阀，使背底真空保持在10^-1Pa-10^-2Pa之间。退火时间3-7 h,退火温度400 ℃，形成单一相Mg₂Si半导体薄膜。

图1为400℃不同退火时间制备的样品的X射线衍射图，图中可见，除衬底Si衍射峰外，各衍射峰均为Mg₂Si衍射峰，且与PDF标准谱（卡片号：65-9365）衍射峰一一对应，说明本发明所述制备条件下，制备了单一相Mg₂Si半导体薄膜薄膜。

图2至图6为400℃不同退火时间制备的样品表面形貌的扫描电镜图，结果显示Mg₂Si晶粒对样品表面覆盖度好，晶粒尺寸较大，表面较为平整。在实验所采用的退火条件下，均有结晶状态良好的Mg₂Si薄膜出现。

实施例2：

（1）将试验用Si片裁切至所需大小；首先，分别用无水乙醇、丙酮超声波震荡清洗20 min，目的是去除硅片表面有机物，再使用去离子水超声波震荡清洗5次，每次10 min。最后将清洗干净的样品置于干燥箱中80 ℃条件下烘烤，至表面完全干燥为止；

（2）试验用Si片由于面积较小，使用弹片固定在蒸镀室上方的样品架上。Mg颗粒直接放置在蒸发坩埚内；

（3）对蒸镀室抽真空，当真空度小于等于2.0×10^-4 Pa时，并保持一段时间；

（4）当真空度再次小于等于2.0×10^-4 Pa时，开始蒸镀；蒸发电流逐步加到80 A，正式开始蒸镀；蒸镀时的电阻式热蒸发的功率为16～19KW，蒸发速率保持在18～24 nm/min，蒸发时间为16 min；

（5）蒸镀完成后自然冷却至室温，再取出并置于高真空退火炉中。退火炉背底真空小于等于10^-3 Pa，退火前调节角阀，使背底真空保持在10^-1 Pa-10^-2 Pa之间。退火时间5h,退火温度350-450 ℃，制备出单一相Mg₂Si半导体薄膜。

图7为退火时间为5个小时，在不同退火温度时制备的样品的X射线衍射图，图中可见，除衬底Si衍射峰外，各衍射峰均为Mg₂Si衍射峰，且与PDF标准谱（卡片号：65-9365）衍射峰一一对应，说明本发明所述制备条件下，制备了单一相Mg₂Si半导体薄膜薄膜。