一种制备禁带宽度可调的硒化物薄膜的方法技术

本发明专利技术公布了一种制备禁带宽度可调的硒化物薄膜的方法，所述的硒化物薄膜为非晶态，组成通式为InxSe1-x，0.3≤x≤0.6，其作法是：对结晶态的In2Se3靶进行射频磁控溅射，沉积的薄膜即为所述的硒化物薄膜；调节溅射过程中的工艺参数即可调节制备物的禁带宽度。该方法能通过调节制备过程中的工艺参数实现硒化物薄膜的禁带宽度的调节，而无需进行掺入任何杂质元素，其制备工艺简单，对设备要求低，环保节能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硒化物薄膜的制备方法。
技术介绍
禁带宽度(Eg)是材料一个极其重要的物理量，很大程度上决定了材料的特性，如材料的本征吸收长波限、光电导截止波长、发光器件的光谱特性等。禁带宽度指材料价带顶部和导带底部之间的能量差。当入射光的光子能量超过禁带宽度时，光子被材料吸收激发电子从价带跃迁进入导带，材料的导电性能提高，光被大量吸收。因此，调节材料的禁带宽度能显著改变材料的光学、电学特性，进而调节相应器件的发光、光吸收及电子输运特性， 使材料应用于透明光电器件、发光二极管、红外探测器等很多方面。调节透明光电材料的禁带宽度可改变透射光的最短波长。以Ga2(H)In2xO3为例，改变Gii2O3或In2O3的含量比例，材料的禁带宽度可由3. 7eV变化到4. 9eV,相应可透过的最短紫外光波长由380nm扩展到^6nm，扩大了器件在紫外光波段的使用范围。纯(^a2O3 ( = 4. 9eV)和纯M2O3^g = 3. 7eV)的带隙宽度值随制备条件略有不同，无法通过制备过程调节。调节发光二极管(LED)使用发光材料的禁带宽度可改变发射光颜色，增加发光材料的禁带宽度，对应器件发射光波长变短。对结晶的^10( = 3. 4eV)掺入MgO^g = 7. 8eV) 形成aixMgl_x0固溶体，能够增加ZnO材料的禁带宽度，使ZnO基发光器件的发光波长变短， 扩宽材料在紫外光波段的应用范围。用BeO^g= 10. 8eV)和MgO共掺能进一步使ZnO基材料的的禁带宽度在3. 3 10. SeV连续可调，进一步扩大ZnO基器件的应用范围。总之，对晶态物质禁带宽度的调节主要采用掺杂的方法，禁带宽度的调节量通过改变杂质掺入量来控制。该法的优点在于掺杂获得的新材料性能稳定，质量可靠。缺点在于母体材料需要较高的结晶质量，掺杂元素和母体元素结合易生成杂相，降低材料的性能。 使用的材料为薄膜形态时，需要合适的衬底，否则薄膜性能会大幅度衰退。以应用于红外探测器的In^xSbh晶体薄膜为例，因至今未找到与其晶格匹配的衬底，衬底与InA^iSbh晶格失配严重，导致InAsSbh红外探测器的器件成品率低，使用寿命短。非晶态物质在结构和性能上与晶态物质有巨大差别。相比于晶态物质原子排列的长程有序，非晶态物质的原子排列仅在几个晶格常数范围内短程有序。非晶态物质内部含有大量未被饱和的悬挂键，其电学性质，光学性质及材料性能参数灵敏地依赖于制备条件， 性能和工艺重复性需精确控制。氢化非晶硅(a-Si:H)是非晶态薄膜得到广泛应用的材料。因未掺杂α-Si中存在大量悬挂键缺陷，无法实际应用。需在非晶硅薄膜制备过程中引入H(a-Si:H)后，方能用作光电薄膜器件。α-Si:H薄膜电导率和导电类型的调节通过掺杂P和B获得，同时引入N，C，Ge等元素，可改变α _Si :Η薄膜的禁带宽度，调节材料的折射率或透过波长。但这种通过掺杂改变非晶态薄膜禁带宽度的方法，需要精确控制掺杂物质的量，对设备要求高，工艺复杂。并且掺杂物往往是有毒物质，既污染环境也危害操作人员的健康。利用非晶态二元化合物薄膜实现禁带宽度的有效调节是一个崭新的应用方向，具有极高的应用前景，急待开发。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法能通过调节制备过程中的工艺参数实现硒化物薄膜的禁带宽度的调节，而无需进行掺入任何杂质元素，其制备工艺简单，对设备要求低，环保节能。本专利技术实现其专利技术目的所采用的技术方案是，所述的硒化物薄膜为非晶态，组成通式为hxsei_x，0. 3 ^ X ^ 0. 6，其作法是对结晶态的^2Se53靶进行射频磁控溅射，沉积的薄膜即为所述的硒化物薄膜；调节溅射过程中的工艺参数即可调节制备物的禁带宽度。本专利技术通过调节工艺参数实现对薄膜禁带宽度调节的可能机理是改变了制得物薄膜的In、Se元素比例及其原子排布方式。实验证明，本专利技术通过调节溅射工艺参数可实现制备的硒化物薄膜禁带宽度的可控变化，禁带宽度的变化范围为1.25 1.90eV。调节工作气压由0. 1 到8 时禁带宽度的调控范围为1. 30 1. 90eV，调节溅射功率密度由2W/cm2到5W/cm2时禁带宽度的调控范围为1. 50 1. 90eV，调节衬底温度从室温到400°C时调控禁带宽度范围为1. 25 1. 60eV, 调节沉积时间5min到45min时调控禁带宽度的范围为1. 55 1. 70eV。与现有技术相比，本专利技术的有益结果是一、本专利技术仅需控制溅射过程中的工艺参数便可实现制备物薄膜的禁带宽度可控调节，制备薄膜的工艺重复性高，大面积均勻性好；无需掺入任何杂质，简化了禁带宽度调节的工艺步骤，对设备要求低，环保节能。二、本专利技术用同一台设备，单一靶材即可方便的制备出不同禁带宽度的硒化物薄膜，可应用于各种滤光片，光电导器件的透光层等光电器件，尤其适用于不同禁带宽度材料组合应用的场合。上述的调节溅射过程中的工艺参数为溅射功率密度、工作气压、衬底温度、溅射时间；其中，溅射功率密度2 5W/cm2，工作气压0. 1 8. OPa，衬底温度25 400°C，溅射时间 5 45min。对上述四种参数任意一种参数在以上的范围内进行调节，都可以单方向的实现禁带宽度的可控调节。调节工作气压由0. IPa升至81 时，禁带宽度由1. 30增至1. 90eV ；调节溅射功率密度由2W/cm2增至5W/cm2时，禁带宽度由1. 50增至1. 90eV ；调节衬底温度从室温升到400°C时，禁带宽度由1. 25增至1. 60eV ；调节沉积时间5min到45min时，禁带宽度由1. 55增至1. 70eVo以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步的详细描述。 附图说明图1为不同工艺参数射频磁控溅射单一 ^2Se53靶材沉积制得的硒化物薄膜的X射线衍射(XRD)图谱。其中，各图谱的工艺参数分别为图谱a，溅射功率密度3W/cm2，工作气压0. IPa,沉积时间5min，衬底温度为室温；图谱b，溅射功率密度3W/cm2，工作气压4. OPa,沉积时间15min，衬底温度为室温；图谱c，溅射功率密度5W/cm2，工作气压4. OPa,沉积时间5min，衬底温度为室温；图谱d，溅射功率密度3W/cm2，工作气压1. OPa,沉积时间5min，衬底温度为400°C ；a, b，c, d四条XRD图谱分别对应于实施例1，5，10，12制得的硒化物薄膜；所有工艺条件获得薄膜的结晶状态均为非晶态，没有明显的结晶峰。图2为实施例1，2，3制得的硒化物薄膜的光吸收曲线，其中曲线a、曲线b、曲线c 分别对应实施例1，2，3 (溅射工作气压分别为0. IPa, 2. OPa和8. OPa ；溅射时间均为5min， 衬底温度均为室温)。图3为实施例1，2，3制得的硒化物薄膜的禁带宽度曲线。其中曲线a、曲线b、曲线c分别对应实施例1，2，3。图4为实施例4，5，6，7制得的非晶态硒化物薄膜的光吸收曲线，其中曲线a、曲线 b、曲线C、曲线d分别对应实施例4，5，6，7 (溅射时间分别为5min，15min，30min和45min ； 溅射功率密度均为3W/cm2，溅射工作气压均为4. OPa，衬底温度均为室温)。图5实施例4，5，6，7制得的非晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余洲，晏传鹏，张勇，李珂，刘斌，赵勇，
申请(专利权)人：西南交通大学，成都欣源光伏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：