一種可變帶隙的Fe-B-Si三元半導體非晶薄膜及其制備方法，屬半導體材料技術領域。這種薄膜材料具有如下通式：Fe3B1Six，x為4.8~18；隨著x從4.8增加到18，帶隙寬度從0.66eV減小到0.60eV，薄膜結構均為非晶態。該薄膜有如下優點：①增加第三組元B會顯著提高薄膜的非晶形成能力，并使薄膜在很大的成分區間內呈現半導體性能，帶隙寬度可以在一定范圍內變化；②只要改變組合濺射靶中Fe3B1合金片的個數，就能改變薄膜中Si的含量，進而獲得不同的帶隙寬度；③Fe3B1Six薄膜均為非晶態，能夠保證成分和性能均勻，有效回避晶態薄膜制備中的晶格失配以及多相混雜等問題。適宜制造近紅外探測器等窄帶隙半導體器件。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，屬半導體材料
技術介紹
β -FeSi2是繼S1、GaAs之后的第三代半導體材料，具有許多優異性能O. 83、. 87eV的直接帶隙，理論光電轉換效率可達到16 23%，高溫穩定性好，與Si的晶格匹配性很好，抗潮濕，抗化學腐蝕、抗氧化性好；具有很高的熱電轉換系數。這些性能使β-FeSi2薄膜可以用于制造Si基大規模集成電路光敏組件、太陽能電池、圖像傳感器、發光二極管和溫差發電器等器件。目前在二元β-FeSi2基礎上，研究者們探索摻雜第三元素來拓展其使用性能，研究表明B可以替代β -FeSi2結構中部分的Fe元素，且B的添加有利于該體系非晶合金的形成。另外在晶體P-FeSi2的添加B時，能夠明顯提高材料的光致發光強度。但是，當前制備β -FeSi2存在的如下問題(I) β -FeSi2是一種線性化合物，在制備體材料或薄膜材料時都極易生成Fe和Si的其它中間化合物(如ε-FeSi和C1-FeSi2),出現多相混雜的狀況。其晶體中還極易出現層錯、孿晶等缺陷，因此很難得到高質量純的β -FeSi2材料。(2) P-FeSi2在用于光電領域時，多數以單晶Si為基制備薄膜，但存在較大的膜基失配問題，導致其很多性能未能達到理論預期。 (3)目前使用不同方法制備的二元P-FeSi2材料，其帶隙寬度在O. 87eV左右變化，雖略有不同，但不能進行調制。加入第三組元后的晶態三元FeSi2型材料則很容易出現相分離的現象，帶隙寬度雖然能較大范圍調制，但是增加了結構的不穩定性，使得多相混雜的狀況進一步惡化。
技術實現思路
本專利技術針對上述不足,在二元β-FeSi2研究的基礎上,用B元素替代β-FeSi2結構中部分的Fe元素，通過制備非晶態Fe-B-Si三元薄膜的方式，有效回避晶態薄膜中晶格失配及多相混雜等問題，而且非晶態能夠保證成分均勻，進而保證性能穩定。同時，當三元系統中Si的含量變化時，薄膜的帶隙寬度可以在一定范圍內調整。本專利技術旨在制備一種可變帶隙的Fe-B-Si三元半導體非晶薄膜，從而提高材料的使用性能，擴展材料的適用范圍。本專利技術采用的技術方案是一種可變帶隙的Fe-B-Si三元半導體非晶薄膜具有如下通式=Fe3B1Six, X為4. 8^18 ;隨著χ從4. 8增加到18，該非晶薄膜材料的帶隙寬度從O. 66eV減小到O. 60eV,薄膜結構始終為非晶態。所述的三元非晶半導體的Fe-B-Si系薄膜的制備方法采用下列步驟(一)制備合金濺射靶材，其步驟如下①備料按照Fe與B原子百分比3:1稱取各組元量值，待用金屬原料的純度Fe為 99. 99%, B 為 99. 5% 以上；②Fe3B1合金錠的熔煉將金屬的混合料放在熔煉爐的水冷銅坩堝內，采用真空電弧熔煉的方法在氬氣的保護下進行熔煉，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氬氣至氣壓為O. 03±0. OlMPa，熔煉電流密度的控制范圍為150± lOA/cm2，熔化后，再持續熔煉10秒鐘，斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉，重新置于水冷銅坩堝內，進行第二次熔煉；前述過程反復熔煉至少3次，得到成分均勻的Fe3B1合金錠；③Fe3B1合金棒的制備將Fe3B1合金錠置于連有負壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內，在氬氣保護下用上述真空電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氬氣至氣壓為O. 03±0. OlMPa，熔煉所用電流密度為150± lOA/cm2，熔化后，再持續熔煉10秒鐘，斷電，同時開啟負壓吸鑄裝置，讓合金熔體充入圓柱形銅模型腔中，冷卻至室溫，得到要求規格的Fe3B1合金棒；④合金貼片的制備用低速鋸將步驟③中制備好的合金棒切成所需厚度的合金小片;⑤合金濺射靶材的制備用導電銀膠將Fe3B1合金片粘貼在濺射所用純度為99. 999%的基礎Si靶上，或者將Fe3B1合金片直接鑲嵌到有孔的純度為99. 999%基礎Si靶上制成組合合金濺射靶材；(二)制備Fe-B-Si系三元非晶薄膜，其步驟如下①磁控濺射 薄膜制備的Si(IOO)和Al2O3(OOOl)基片清洗兩種基片都需經過丙酮、酒精和去離子水超聲波清洗各10分鐘；另外Si基片還需放入5%的HF中浸泡2 3分鐘，取出再用去離子水沖洗干凈；最后用N2將兩種基片吹干后放入真空室；②磁控濺射設備抽真空樣品和靶材都放入真空室后，設備機械泵粗抽真空至5Pa以下，然后采用分子泵進行精抽真空，真空度抽至8. OX KT4Pa ；③真空度達到所需的高真空后，充入純度為99. 999%的氬氣至氣壓2Pa，讓靶材起輝，然后調節氬氣流量到10. OSccm,工作氣壓調制O. 5Pa，濺射功率85 120W，靶基距為8 12cm，濺射時間為6(T90min，濺射完畢后，設備冷卻30min，取出三元Fe-B-Si薄膜樣品。采用上述技術方案制備的Fe3B1Six是非晶態薄膜材料，在Si的含量變化時，薄膜的帶隙寬度可以在一定范圍內調整，可以擴大其使用范圍。在Si (100)和Al2O3(OOOl)基片上制備Fe3B1Six(x=4. 8 18)薄膜，用B元素替代β -FeSi2結構中四分之一的Fe元素，濺射過程中采用的靶材合金貼片的成分比例只有一種=Fe3B1，通過改變合金片的個數，就能改變薄膜中Si的含量，進而得到具有不同帶隙寬度的非晶態薄膜。該方法具有工藝條件易于控制，薄膜的均勻性好，便于產業化等優點。所制備的薄膜帶隙可調，附著性能好，應用前景廣闊。本專利技術的有益效果是這種可變帶隙的Fe-B-Si三元半導體非晶薄膜具有如下通式=Fe3B1Six, χ為4. 8^18 ;隨著χ從4. 8增加到18，該非晶薄膜材料的帶隙寬度從O. 66eV減小到O. 60eV，薄膜結構始終為非晶態。該薄膜有如下優點①增加第三組元B會顯著提高薄膜的非晶形成能力，并使薄膜在很大的成分區間內呈現半導體性能，帶隙寬度可以在一定范圍內變化；②只要改變組合濺射靶中Fe3B1合金片的個數，就能改變薄膜中Si的含量，進而獲得不同的帶隙寬度Fe3B1Six(X=IflS)薄膜均為非晶態，能夠保證成分和性能均勻，有效回避晶態薄膜制備中的晶格失配以及多相混雜等問題。適宜制造近紅外探測器等窄帶隙半導體器件。附圖說明圖1是三元非晶薄膜Fe3B1Sia8的TEM形貌像和選區電子衍射花樣。圖2是三元非晶薄膜Fe3B1Sia8的(a T)2 - E關系曲線。圖3是三元非晶薄膜Fe3B1Si^的(a T)2 - E關系曲線。圖4是三元非晶薄膜Fe3B1Sia9的(a T)2 - E關系曲線。圖1中，由TEM結果可知，本專利技術制備的薄膜膜基界面清晰，膜層比較平整、連續，且厚度均勻，而膜層區域的選區電子衍射花樣除了看到明顯的漫散環外， 沒有其他信息，表明制備的薄膜為非晶態。圖2、3、4中，橫坐標是能量Ε，單位為eV，縱坐標是(α T)2，由圖可知本專利技術制備的三元非晶薄膜Fe3B1Si6^ Fe3B1Sk4和Fe3B1Si9^的帶隙寬度分別為O. 64eV、0. 65eV、O. 61eV0具體實施例方式下面結合技術方案詳細敘述本專利技術的具體實施例。實施例1 :磁控濺射方法制備Fe3B1Si6.8薄膜(一)制備合金濺射靶材，其步驟如下①備料按照Fe與B原子百分比3:1稱取各組元量本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種可變帶隙的Fe?B?Si三元半導體非晶薄膜，其特征在于：具有如下通式：Fe3B1Six，x為4.8~18；隨著x從4.8增加到18，該非晶薄膜材料的帶隙寬度從0.66eV減小到0.60eV，薄膜結構始終為非晶態。
【技術特征摘要】
1.一種可變帶隙的Fe-B-Si三元半導體非晶薄膜，其特征在于具有如下通式 Fe3B1Six, X為4. 8^18 ;隨著x從4. 8增加到18，該非晶薄膜材料的帶隙寬度從O. 66eV減小到O. 60eV，薄膜結構始終為非晶態。2.根據權利要求1所述的可變帶隙的Fe-B-Si系三元非晶薄膜，其特征在于采用下列步驟(一)制備合金濺射靶材，其步驟如下①備料按照Fe與B原子百分比3:1稱取各組元量值，待用金屬原料的純度Fe為 99. 99%, B 為 99. 5% 以上；②Fe3B1合金錠的熔煉將金屬的混合料放在熔煉爐的水冷銅坩堝內，采用真空電弧熔煉的方法在氬氣的保護下進行熔煉，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氬氣至氣壓為O.03±0. OlMPa，熔煉電流密度的控制范圍為150± lOA/cm2，熔化后，再持續熔煉10秒鐘，斷電，讓合金隨銅坩堝冷卻至室溫，然后將其翻轉，重新置于水冷銅坩堝內，進行第二次熔煉； 前述過程反復熔煉至少3次，得到成分均勻的Fe3B1合金錠；③Fe3B1合金棒的制備將Fe3B1合金錠置于連有負壓吸鑄裝備的水冷銅坩堝內，在氬氣保護下用上述真空電弧熔煉法熔煉合金，首先抽真空至10_2Pa，然后充入氬氣至氣壓為O.03±0. OlMPa，熔煉所用電流密度為150± lOA/cm2，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李曉娜，鄭月紅，董闖，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：
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