[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及一种可变带隙的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。

背景技术

β-FeSi₂是继Si、GaAs之后的第三代半导体材料，具有许多优异性能： 0.83~0.87eV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β-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： 

（1）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α-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）β-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β-FeSi₂材料，其带隙宽度在0.87eV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。 

发明内容

本发明针对上述不足，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。本发明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。

本发明采用的技术方案是：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：Fe₃B₁Si_x，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。

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0.03±0.01MPa，熔炼电流密度的控制范围为150±10A/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0.03±0.01MPa，熔炼所用电流密度为150±10A/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；