高光电导增益氮化碳薄膜制备方法

摘要

一种高光电导增益氮化碳薄膜制备方法属于半导体材料领域。本发明方法采用离子束溅射工艺制备氮化碳薄膜，高纯石墨作为靶材，高纯氮气作为考夫曼离子束源的工作气体，工作气压为2～6×10－2Pa。本发明采用离子束溅射工艺，仅仅用氮气作为反应和溅射气体，并且薄膜远离浓氮离子束的直接轰击，减少了悬挂键复合缺陷的密度，省去了氢气的钝化过程，在AM1.5，100mW/cm2标准光强下，所获得的氮化碳薄膜的光电导增益，(光照的电导－暗电导)与暗电导的比值，可达106，可以用在光伏器件上，用作光激活层的新型光伏薄膜材料。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种薄膜制备方法，特别是一种高光电导增益氮化碳薄膜制备方法，属于半导体材料领域。

背景技术

八十年代，美国哈佛大学的学者理论预测了β结构的氮化碳薄膜(β-C₃N₄)由于其短的C-N共价键，该材料可能具有比金刚石还要高的硬度。世界各国的科学家都在努力寻求合成这种超硬新材料的方法，但几乎无一成功。大多数的研究者所获得的氮化碳薄膜是非晶的结构，少数的研究获得的薄膜中带有微颗粒β-C₃N₄，这些材料都没有哈佛大学的学者预期的超硬结果。可是在另一个应用领域，在光电材料和器件应用领域，人们已经发现，非晶态的氮化碳薄膜具有许多独特的光学和电学性质。如它具有非常低的功函数，可用为电子发射器件的表面层(如等离子显示器)；它具有一定的光电导增益，可以用在光电子器件上；它的光学禁带宽度可在2.5～0.5eV范围内调整，可以用在调制光学带隙的器件上。经文献检索发现，Takada，N.和Arai，K.等人在Applied Surface Science《应用表面科学》杂志上发表了一篇文章“Preparation and properties ofreactive-sputtered amorphous CNx films”(反应溅射沉积菲晶氮化碳薄膜及性质研究)(Vol.113，April 1997，P274~277)，该文报导了采用反应溅射工艺制备的氮化碳薄膜的性质，用氩和氮气为反应和溅射气体，沉积的薄膜是非晶结构，光电导增益达10³。这项技术采用的是氩和氮气混合气体溅射工艺，在沉膜时，薄膜受到高能氩等离子直接的轰击，在膜中引入高密度的悬挂键复合缺陷，为了获得高光电导增益，不得不采用氢气对薄膜进行钝化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有氮化碳薄膜的沉积技术中的不足，提供一种太阳能光伏器件上应用的高光电导增益氮化碳薄膜制备方法，即氮气为工作气体的反应离子束溅射工艺，使其克服了背景技术的不足，在高光电导增益氮化碳薄膜的制备工艺和设备方面取得了明显的进步。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法采用离子束溅射工艺制备氮化碳薄膜，高纯石墨作为靶材，高纯氮气作为考夫曼(Kaufman)离子束源的工作气体，工作气压为2～6×10^-2Pa。

以下对本发明方法作进一步的描述，具体步骤如下：

一、衬底清洗：采用常规底半导体清洗工艺进行衬底的表面初清洗，再将衬底放在去离子水中用超声波清洗，用离子水冲洗数次，氮气吹干。

二、安置衬底：靶材的靶体、考夫曼离子束源、及薄膜基底形成一定的相对位置，靶体的靶面与水平面成45度固定倾斜角，薄膜基底与重锤线成θ角。采用高能氮离子束掠射轰击薄膜的表面，与碳离子反应以获得高氮含量的氮化碳薄膜，掠射角即为θ角，θ角的取值范围是0度～20度。靶体由循环水不断地冷却。薄膜基底可以通过加热器加热到100℃～500℃，也可利用在沉膜过程中，薄膜基底因离子的轰击而升高的温度。

三、抽真空和配气：采用机械泵抽低真空，扩散泵抽高真空，本底真空最终达到1×10^-4Pa压强。由质量流量计和针阀控制氮气的输入流量，控制反应腔的压强为2×10^-2～6×10^-2Pa。

四、开启考夫曼离子源：考夫曼离子束源为一种发散型离子源，它在真空腔中生成离子束，考夫曼离子源可生成离子流、并加速离子流射向靶体。高能量的离子直接轰击靶体，靶体物质以离子、原子、或原子团等形式被击出。此种微粒再次以高能量飞溅于旁侧的基体上，沉积于基体的表面。采用高纯石墨为靶体材料，高纯的氮气为离子束源的工作气体和溅射气体。氮气通过气体流量计，经真空管道送入离子源中，这里产生的氮离子束具有两个作用，第一，作为反应离子束，为氮化碳薄膜的生成提供参加反应的氮离子源，第二，作为溅射离子束，提供轰击靶材的氮离子炮弹。真空腔在第三步已经由机械泵和扩散泵抽真空，并由气体流量计送入反应气体。可以采用一个或两个考夫曼离子束源，如果是一个考夫曼离子束源，则该考夫曼离子束源(Kaufman)为一种发散型离子源，其所产生的离子束既作为反应离子束，为氮化碳薄膜的生成提供参加反应的氮离子，又作为溅射离子束。如果是两个考夫曼离子束源，则一个提供溅射离子束，另一个提供氮化碳薄膜的生成所需的反应离子束。

五、沉积氮化碳薄膜：考夫曼离子源离子束束流强度为30～80mA/cm²之间可调，离子束的束流能量为300～800eV可调，束流稳定度为(±1.0％/h)，加速电压在100V～500V内改变，沉积时间为1～3小时。

六、光电导增益测试：对沉积的薄膜所进行的光电导测试方法是，采用Keithley(吉时利公司)源表测量薄膜的暗电导和光照的电导，然后用下列公式计算光电导的增益：(光照的电导—暗电导)/暗电导。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明采用离子束溅射工艺，仅仅用氮气作为反应和溅射气体，并且薄膜远离浓氮离子束的直接轰击，减少了悬挂键复合缺陷的密度，省去了氢气的钝化过程，在AM1.5，100mW/cm²标准光强下，所获得的氮化碳薄膜的光电导增益，(光照的电导—暗电导)与暗电导的比值，可达10⁶，可以用在光伏器件上，用作光激活层的新型光伏薄膜材料。

具体实施方式

实施例一

采用一个考夫曼离子束源离子束，氮气为工作气体，束流强度为30mA/cm²，离子束束流能量是800eV，加速电压是100V，薄膜基底3与重锤线成角度为8度，工作气压为2×10^-2Pa，薄膜基底通过加热器加热到100℃，沉膜时间为80分钟。对沉积的薄膜进行测试，光电导增益达10³。

实施例二

采用一个考夫曼离子束源离子束，氮气为工作气体，离子束的束流强度为50mA/cm²，离子束束流能量是500eV，加速电压是300V，薄膜基底与重锤线成角度为10度，工作气压为4×10^-2Pa，薄膜基底通过加热器加热到300℃，沉膜时间为60分钟。对沉积的薄膜进行测试，光电导增益达10⁴。

实施例三

采用一个考夫曼离子束源离子束，氮气为工作气体，离子束的束流强度为80mA/cm²，离子束束流能量是300eV，加速电压是500V薄膜，基底与重锤线成角度为12度，工作气压为6×10^-2Pa，薄膜基底通过加热器加热到500℃，沉膜时间为120分钟。对沉积的薄膜进行测试，光电导增益达10⁵。

实施例四

采用一个考夫曼离子束源离子束，氮气为工作气体，离子束的束流强度为50mA/cm²，离子束束流能量是500eV，加速电压是300V薄膜，基底与重锤线成角度为10度，工作气压为4×10^-2Pa，不进行人为的加热，沉膜时间为60分钟。对沉积的薄膜进行测试，光电导增益达10⁵。