一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法技术

本发明专利技术公开了一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于：包含以下步骤：第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜，然后在Si膜上沉积一层Mg膜；第二、退火工艺，沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg2Si半导体薄膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种Mg2Si半导体薄膜的制备方法，尤其涉及一种在非娃衬底上制备Mg2 S i半导体薄膜的方法。
技术介绍
Mg2Si是一种具有反萤石结构的金属硅化物环境友好半导体材料，价格低廉、元素无毒无污染。带隙值在0.6eV-0.8eV之间，在红外传感器、红外光LED等光电器件领域具有广阔的应用前景;具有很高的热电系数(ZT>1)、很低的热导率和电阻率，在热电器件中具有重要应用价值。它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，国内外Mg2Si薄膜主要是在硅衬底上制备的，如利用磁控溅射、热蒸发、热扩散方法在娃衬底上沉积一层M g经高温退火后形成M g 2 S i薄膜(专利〇吧01010147304.2，0吧01210455881.7，0吧00710064777.4)，或采用分子束外延技术镁硅共沉积的方法在硅衬底上制备出Mg2Si薄膜(文献PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 54，NUMBER23)。这些方法虽然均能制备出高质量的Mg2Si薄膜，但由于以下几个方面的原因，这些方法在Mg2Si薄膜器件制备中受到很大的限制。(1)硅衬底的导电类型会直接影响Mg2Si薄膜导电类型的测试，如硅衬底为η型，测得的未刻意掺杂的Mg2Si薄膜也为η型;若硅衬底为ρ型，测得的未刻意掺杂的Mg2Si薄膜也为ρ型。因此在硅衬底上无法直接获得Mg2Si薄膜的导电类型。(2)由于在硅衬底上生长的Mg2Si薄膜是利用金属镁的高活性，在适当的温度下与硅进行固相反应而得到的。反应后，Mg2Si与硅的界面很不平整，存在诸多缺陷，这些缺陷将会严重影响Mg2Si薄膜器件的性质。(3)由于硅的导热性能很好，而具有良好性能的热电器件的关键因素是材料的热导率尽可能低，所以在硅衬底上制备Mg2Si薄膜热电器件受到了极大的限制。(4)LED产业中，蓝宝石衬底是目前的主流选择，几乎占据99%的市场，其制造技术成熟性、稳定性等方面现在都比硅衬底好，硅衬底LED的良率、光效以及成本等依旧是当下亟待解决的问题，因此，其市场认同度不够，参与推广应用的企业少。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是:供一种在非硅衬底上制备高质量的Mg2Si半导体薄膜的方法，以克服现有技术存在的硅衬底上的Mg2Si薄膜导电类型无法直接测量、Mg2Si/Si界面缺陷密度大、硅衬底上的热电器件性能不佳、硅衬底LED的良率低、光效差、难于工业化推广等缺点。本专利技术的技术方案是:一种在非硅衬底上制备Mg2，包含以下步骤:第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜，然后在Si膜上沉积一层Mg膜;第二、退火工艺，沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg2Si半导体薄膜。所述非硅衬底为玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底或石墨衬底。所述高真空薄膜沉积系统为磁控溅射系统、热蒸发系统薄膜的物理气相沉积系统。Si膜厚度为 125-225 nm。Mg膜的厚度为 190-250 nm。在沉积Si膜和Mg膜前，对预先装在真空系统的Si和Mg预处理，以去除S1、Mg表面的氧化物污染物。退火前对退火炉抽真空，使其背底真空小于等于10-4Pa。 退火过程中，保持退火炉腔体内气压为10-l-10_2Pa，退火时间为3.5_4.5小时，退火温度为350-450°C。本专利技术的有益效果:由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术在非硅衬底上成功制备了结晶质量好、表面平整的Mg2Si半导体薄膜，合成的Mg2Si薄膜中不含富余的Mg或Si，也不含MgO或Si02等杂质，为Mg2Si半导体薄膜的器件开发利用奠定良好的基础。本专利技术制备的Mg2Si薄膜的导电类型不受衬底影响；能与其它半导体材料形成界面平整、缺陷密度低的高质量异质结;能充分利用Mg2Si是优良的热电材料这一性质制备出高质量的热电器件;能大大提高基于Mg2Si薄膜的LED的效率。本专利技术利用的磁控溅射或热蒸发设备简单、易于操作，可以制备均匀、大面积的薄膜，有利于工业化大规模生产。【附图说明】图1为本专利技术在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的工艺流程图； 图2为本专利技术的样品X射线衍射图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射15minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的X射线衍射图； 图3为本专利技术的样品X射线衍射图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射17.5minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的X射线衍射图； 图4为本专利技术的样品X射线衍射图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射20minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的X射线衍射图； 图5为本专利技术的样品扫描电镜图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射15minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的扫描电镜图； 图6为本专利技术的样品扫描电镜图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射17.5minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的扫描电镜图； 图7为本专利技术的样品扫描电镜图，在玻璃衬底上先溅射25minN-Si，再溅射20minMg然后退火形成的Mg2Si薄膜的扫描电镜图。【具体实施方式】本专利技术的实施例: (1)清洗玻璃基片。玻璃基片分别用双氧水、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗20分钟，吹干后送入磁控溅射系统的样品室，进行反溅射清洁玻璃基片表面。之后送入磁控溅射系统的溅射室。(2)在玻璃基片上直流溅射沉积Si膜。溅射室背底气压为2.0x10—5Pa。溅射沉积过程中，溅射功率为110 W，氩气(99.999%纯度)流量15 sccm，溅射气压为2.0 Pa，溅射时间为25 min，这样的沉积条件下，溅射沉积Si膜的厚度约175 nm。溅射时衬底温度为室温。在溅射Si膜前，首先对预先装在溅射室的Si靶预溅射，去除Si靶上的氧化物。(3)在Si膜上射频溅射沉积Mg膜。溅射沉积过程中，溅射功率为100 W，氩气(99.999%纯度)流量30 sccm，溅射气压为3.0 Pa，溅射时间为15-20 min，这样的沉积条件下，溅射沉积Mg膜的厚度约190-250 nm。溅射时衬底温度为室温。在溅射Mg膜前，首先对预先装在溅射室的Mg靶预溅射，去除Mg靶上的氧化物。(4)将衬底/ Si / Mg样品放入高真空退火炉中退火。退火炉背底气压为4.0x10—4Pa。退火时气压保持在1.5x10—2Pa，退火时间为4 h，退火温度为400°C。上述薄膜制备完成后，我们利用X射线衍射仪和扫描电镜对薄膜进行了测试，结果表明: 从图2-4中所示相同的Si膜厚度、不同的Mg膜厚度的X射线衍射图可以看出，生成的Mg2Si结晶质量非常好，具有高度的(220)择优取向。从图5-7中所示的相同的Si膜厚度、不同的Mg膜厚度的扫描电镜图(放大10000倍)可以看出，生成的Mg2Si晶粒分布均匀，表面非常平整，说明制备的Mg2Si薄膜质量很好。以上所述仅为本专利技术的较佳实例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围，凡在本专利技术的精神和原则之内所做的任何修改等同替换以及改进，均应包含在本专利技术的保护范围之内。【主权项】1.一种在非娃衬底上制备Mg2，其特征在于:包含以下步骤:第一、在清洁的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法，其特征在于：包含以下步骤：第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜, 然后在Si膜上沉积一层Mg膜；第二、退火工艺，沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg2Si半导体薄膜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢泉，廖杨芳，肖清泉，梁枫，王善兰，吴宏仙，房迪，张晋敏，陈茜，谢晶，范梦慧，黄晋，章竞予，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52