[发明专利]制备Mn掺杂β-FeSi2薄膜的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备β-FeSi₂薄膜的工艺方法。

背景技术

过渡金属硅化物Fe-Si化合物中的低温稳定相β-FeSi₂是一种新型半导体材料，系由地球上储量极为丰富Fe和Si元素组成，即使长期使用对人体和环境也无毒、无害，其加工和制备工艺过程对环境无负荷，被称为环境友好半导体材料。同时β-FeSi₂还具有一系列的优良性质，如其制备方法与现有的硅基微电子工艺相兼容，被认为是准直接带隙材料，其带隙值约为0.83-0.87eV，对应于现代光通讯的特征频率范围，在红外光谱区具有高的光吸收系数（>10⁵cm^-1），具有大的Seeback系数，理论上有高达16-23%的太阳能转换效率，以及在大的温度范围内的稳定性和强的抗氧化能力等。因此近二十多年来对β-FeSi₂的研究引起了国内外研究者的极大兴趣，人们相信，β-FeSi₂材料是当今最有发展潜力的光电子材料之一，有希望作为下一代半导体光电子材料取代现有的一些有毒、资源储量十分有限的材料。

任何一种材料，从基础研究到最终走向应用，均有很长的一段里程，β-FeSi₂自然也不例外。半导体β-FeSi₂作为新型光电子材料的研究，始于上世纪八十年代中期，虽然对β-FeSi₂的广泛研究已经走过了二十多个年头，但还远没有完成，甚至对一些基本问题，也尚无定论，仍然有很多工作等着我们去做。β-FeSi₂材料的生长机制，能带结构及带隙性质，晶格振动性质，输运机制和发光机制等还需要更加深入、系统的研究。作为一种半导体光电子材料，β-FeSi₂的导电类型、载流子浓度、迁移率，以及掺杂对其导电类型和输运特性的影响等问题都是研究者们极为关注的对象。非有意掺杂的半导体β-FeSi₂通常表现出p-型导电特性，其迁移率较低且在较大范围变化，掺杂可以有控制地改变其导电类型、载流子浓度、迁移率等电学和输运性质，从而实现材料的实际应用。由传统的热压烧结法制备掺杂β-FeSi₂时，是在原材料中按一定比例加入所需杂质原子，这种方法简单易于实现，但只能用于块体材料的制备。目前尚未见到关于β-FeSi₂薄膜掺杂的相关报道。如果仍采用在原材料（溅射靶材）中添加杂质原子的方法进行掺杂，由于不同种类原子的溅射产额不同，薄膜成份一般不同于靶材成份，很难控制薄膜中杂质的含量，即很难实施有控制地掺杂。而且对于β-FeSi₂薄膜，当杂质含量超过一定比例后，形成的薄膜将不具有半导体属性，而是形成金属性的合金。本课题组针对Mn掺杂β-FeSi₂的制备工艺进行研究，实现了有控制的掺杂且不改变β-FeSi₂的晶体结构和半导体属性，因而对半导体材料β-FeSi₂薄膜的开发、应用具有十分重要的价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种制备Mn掺杂β-FeSi₂薄膜的工艺方法，以克服现有技术存在的很难控制薄膜中杂质的含量，或形成的薄膜不具有半导体属性等不足。

为了解决所述的技术问题，本发明采取以下技术方案：

它包括以下过程：第一，清洗Si片；第二，采用磁控溅射方法，在Si片衬底上沉积Mn/Fe或Fe/Mn双层膜，或Fe/Mn/Fe多层膜，通过控制各层溅射速率和膜层厚度来控制Mn的含量，使Mn取代Fe含量在1％-5％之间；第三，将磁控溅射沉积的Mn/Fe或Fe/Mn双层膜或Fe/Mn/Fe多层膜在真空退火炉中退火，获得Mn掺杂的β-FeSi₂薄膜。

在第一过程中，先将Si片用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗10分钟，在1:50的HF中浸泡30秒--1分钟，去离子水冲洗后，用N₂气吹干，放入溅射仪进样室，反溅8--10分钟进一步清洁Si片；清洁后的Si片通过磁力传送杆送入溅射室，抽预备真空至2×10^-5Pa。

在第二过程中，Fe膜采用直流磁控溅射方法，工作气体为Ar气，溅射过程中保持溅射气压1.5--2.5Pa，Ar气流量10-25SCCM，溅射功率70--200W，基片偏压-50V。