一种可变带隙的Fe-B-Si三元半导体非晶薄膜及其制备方法，属半导体材料技术领域。这种薄膜材料具有如下通式：Fe3B1Six，x为4.8~18；随着x从4.8增加到18，带隙宽度从0.66eV减小到0.60eV，薄膜结构均为非晶态。该薄膜有如下优点：①增加第三组元B会显著提高薄膜的非晶形成能力，并使薄膜在很大的成分区间内呈现半导体性能，带隙宽度可以在一定范围内变化；②只要改变组合溅射靶中Fe3B1合金片的个数，就能改变薄膜中Si的含量，进而获得不同的带隙宽度；③Fe3B1Six薄膜均为非晶态，能够保证成分和性能均匀，有效回避晶态薄膜制备中的晶格失配以及多相混杂等问题。适宜制造近红外探测器等窄带隙半导体器件。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属半导体材料
技术介绍
β -FeSi2是继S1、GaAs之后的第三代半导体材料，具有许多优异性能O. 83、. 87eV的直接带隙，理论光电转换效率可达到16 23%，高温稳定性好，与Si的晶格匹配性很好，抗潮湿，抗化学腐蚀、抗氧化性好；具有很高的热电转换系数。这些性能使β-FeSi2薄膜可以用于制造Si基大规模集成电路光敏组件、太阳能电池、图像传感器、发光二极管和温差发电器等器件。目前在二元β-FeSi2基础上，研究者们探索掺杂第三元素来拓展其使用性能，研究表明B可以替代β -FeSi2结构中部分的Fe元素，且B的添加有利于该体系非晶合金的形成。另外在晶体P-FeSi2的添加B时，能够明显提高材料的光致发光强度。但是，当前制备β -FeSi2存在的如下问题(I) β -FeSi2是一种线性化合物，在制备体材料或薄膜材料时都极易生成Fe和Si的其它中间化合物(如ε-FeSi和C1-FeSi2),出现多相混杂的状况。其晶体中还极易出现层错、孪晶等缺陷，因此很难得到高质量纯的β -FeSi2材料。(2) P-FeSi2在用于光电领域时，多数以单晶Si为基制备薄膜，但存在较大的膜基失配问题，导致其很多性能未能达到理论预期。 (3)目前使用不同方法制备的二元P-FeSi2材料，其带隙宽度在O. 87eV左右变化，虽略有不同，但不能进行调制。加入第三组元后的晶态三元FeSi2型材料则很容易出现相分离的现象，带隙宽度虽然能较大范围调制，但是增加了结构的不稳定性，使得多相混杂的状况进一步恶化。
技术实现思路
本专利技术针对上述不足,在二元β-FeSi2研究的基础上,用B元素替代β-FeSi2结构中部分的Fe元素，通过制备非晶态Fe-B-Si三元薄膜的方式，有效回避晶态薄膜中晶格失配及多相混杂等问题，而且非晶态能够保证成分均匀，进而保证性能稳定。同时，当三元系统中Si的含量变化时，薄膜的带隙宽度可以在一定范围内调整。本专利技术旨在制备一种可变带隙的Fe-B-Si三元半导体非晶薄膜，从而提高材料的使用性能，扩展材料的适用范围。本专利技术采用的技术方案是一种可变带隙的Fe-B-Si三元半导体非晶薄膜具有如下通式=Fe3B1Six, X为4. 8^18 ;随着χ从4. 8增加到18，该非晶薄膜材料的带隙宽度从O. 66eV减小到O. 60eV,薄膜结构始终为非晶态。所述的三元非晶半导体的Fe-B-Si系薄膜的制备方法采用下列步骤(一)制备合金溅射靶材，其步骤如下①备料按照Fe与B原子百分比3:1称取各组元量值，待用金属原料的纯度Fe为 99. 99%, B 为 99. 5% 以上；②Fe3B1合金锭的熔炼将金属的混合料放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为O. 03±0. OlMPa，熔炼电流密度的控制范围为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼；前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Fe3B1合金锭；③Fe3B1合金棒的制备将Fe3B1合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用上述真空电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为O. 03±0. OlMPa，熔炼所用电流密度为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，同时开启负压吸铸装置，让合金熔体充入圆柱形铜模型腔中，冷却至室温，得到要求规格的Fe3B1合金棒；④合金贴片的制备用低速锯将步骤③中制备好的合金棒切成所需厚度的合金小片;⑤合金溅射靶材的制备用导电银胶将Fe3B1合金片粘贴在溅射所用纯度为99. 999%的基础Si靶上，或者将Fe3B1合金片直接镶嵌到有孔的纯度为99. 999%基础Si靶上制成组合合金溅射靶材；(二)制备Fe-B-Si系三元非晶薄膜，其步骤如下①磁控溅射 薄膜制备的Si(IOO)和Al2O3(OOOl)基片清洗两种基片都需经过丙酮、酒精和去离子水超声波清洗各10分钟；另外Si基片还需放入5%的HF中浸泡2 3分钟，取出再用去离子水冲洗干净；最后用N2将两种基片吹干后放入真空室；②磁控溅射设备抽真空样品和靶材都放入真空室后，设备机械泵粗抽真空至5Pa以下，然后采用分子泵进行精抽真空，真空度抽至8. OX KT4Pa ；③真空度达到所需的高真空后，充入纯度为99. 999%的氩气至气压2Pa，让靶材起辉，然后调节氩气流量到10. OSccm,工作气压调制O. 5Pa，溅射功率85 120W，靶基距为8 12cm，溅射时间为6(T90min，溅射完毕后，设备冷却30min，取出三元Fe-B-Si薄膜样品。采用上述技术方案制备的Fe3B1Six是非晶态薄膜材料，在Si的含量变化时，薄膜的带隙宽度可以在一定范围内调整，可以扩大其使用范围。在Si (100)和Al2O3(OOOl)基片上制备Fe3B1Six(x=4. 8 18)薄膜，用B元素替代β -FeSi2结构中四分之一的Fe元素，溅射过程中采用的靶材合金贴片的成分比例只有一种=Fe3B1，通过改变合金片的个数，就能改变薄膜中Si的含量，进而得到具有不同带隙宽度的非晶态薄膜。该方法具有工艺条件易于控制，薄膜的均匀性好，便于产业化等优点。所制备的薄膜带隙可调，附着性能好，应用前景广阔。本专利技术的有益效果是这种可变带隙的Fe-B-Si三元半导体非晶薄膜具有如下通式=Fe3B1Six, χ为4. 8^18 ;随着χ从4. 8增加到18，该非晶薄膜材料的带隙宽度从O. 66eV减小到O. 60eV，薄膜结构始终为非晶态。该薄膜有如下优点①增加第三组元B会显著提高薄膜的非晶形成能力，并使薄膜在很大的成分区间内呈现半导体性能，带隙宽度可以在一定范围内变化；②只要改变组合溅射靶中Fe3B1合金片的个数，就能改变薄膜中Si的含量，进而获得不同的带隙宽度Fe3B1Six(X=IflS)薄膜均为非晶态，能够保证成分和性能均匀，有效回避晶态薄膜制备中的晶格失配以及多相混杂等问题。适宜制造近红外探测器等窄带隙半导体器件。附图说明图1是三元非晶薄膜Fe3B1Sia8的TEM形貌像和选区电子衍射花样。图2是三元非晶薄膜Fe3B1Sia8的(a T)2 - E关系曲线。图3是三元非晶薄膜Fe3B1Si^的(a T)2 - E关系曲线。图4是三元非晶薄膜Fe3B1Sia9的(a T)2 - E关系曲线。图1中，由TEM结果可知，本专利技术制备的薄膜膜基界面清晰，膜层比较平整、连续，且厚度均匀，而膜层区域的选区电子衍射花样除了看到明显的漫散环外， 没有其他信息，表明制备的薄膜为非晶态。图2、3、4中，横坐标是能量Ε，单位为eV，纵坐标是(α T)2，由图可知本专利技术制备的三元非晶薄膜Fe3B1Si6^ Fe3B1Sk4和Fe3B1Si9^的带隙宽度分别为O. 64eV、0. 65eV、O. 61eV0具体实施例方式下面结合技术方案详细叙述本专利技术的具体实施例。实施例1 :磁控溅射方法制备Fe3B1Si6.8薄膜(一)制备合金溅射靶材，其步骤如下①备料按照Fe与B原子百分比3:1称取各组元量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种可变带隙的Fe?B?Si三元半导体非晶薄膜，其特征在于：具有如下通式：Fe3B1Six，x为4.8~18；随着x从4.8增加到18，该非晶薄膜材料的带隙宽度从0.66eV减小到0.60eV，薄膜结构始终为非晶态。
【技术特征摘要】
1.一种可变带隙的Fe-B-Si三元半导体非晶薄膜，其特征在于具有如下通式 Fe3B1Six, X为4. 8^18 ;随着x从4. 8增加到18，该非晶薄膜材料的带隙宽度从O. 66eV减小到O. 60eV，薄膜结构始终为非晶态。2.根据权利要求1所述的可变带隙的Fe-B-Si系三元非晶薄膜，其特征在于采用下列步骤(一)制备合金溅射靶材，其步骤如下①备料按照Fe与B原子百分比3:1称取各组元量值，待用金属原料的纯度Fe为 99. 99%, B 为 99. 5% 以上；②Fe3B1合金锭的熔炼将金属的混合料放在熔炼炉的水冷铜坩埚内，采用真空电弧熔炼的方法在氩气的保护下进行熔炼，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为O.03±0. OlMPa，熔炼电流密度的控制范围为150± lOA/cm2，熔化后，再持续熔炼10秒钟，断电，让合金随铜坩埚冷却至室温，然后将其翻转，重新置于水冷铜坩埚内，进行第二次熔炼； 前述过程反复熔炼至少3次，得到成分均匀的Fe3B1合金锭；③Fe3B1合金棒的制备将Fe3B1合金锭置于连有负压吸铸装备的水冷铜坩埚内，在氩气保护下用上述真空电弧熔炼法熔炼合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氩气至气压为O.03±0. OlMPa，熔炼所用电流密度为150± lOA/cm2，...
【专利技术属性】
技术研发人员：李晓娜，郑月红，董闯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。