[發明專利]一種氧化亞銅薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 201110033968.0
• 申請日: 2011-01-31
• 公開（公告）號: CN102623521A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 李俊強;梅增霞;葉大千;崔秀芝;杜小龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L31/032
• 分類號: H01L31/032;H01L31/18
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇

技術領域

本發明涉及一種薄膜的制備方法，尤其涉及一種氧化亞銅(Cu₂O)薄膜的制備方法。

背景技術

Cu₂O是一種直接帶隙氧化物半導體材料，其室溫禁帶寬度為2.1eV，自由激子結合能高達140meV，具有多種優越的光電性能，在透明導電薄膜、光催化、光伏器件以及電池電極材料等方面有著極為廣闊的應用前景，是最早開展研究以及進行工業應用的半導體材料之一。

目前Cu₂O薄膜的制備工藝主要有熱蒸發、濺射、脈沖激光沉積、化學氣相沉積以及電化學沉積等，其中常見的制備方法是在氧氣環境中(通常是一個大氣壓)通過對Cu膜進行氧化從而獲得Cu₂O。這種方法具有操作簡單、設備要求低、制備成本低廉等優點，但是由于氧氣活性低，導致Cu膜氧化需要很長時間。另外，對于薄膜生長來說，上面提到的幾種制備工藝具有相似的局限性，那就是沉積的薄膜都是多晶，結晶質量普遍較差；同時很難對生長過程進行精密控制，因此無法對薄膜生長的動力學特性進行細致的研究，不利于高質量單一組分(甚至單一相、單晶)薄膜的獲得。

發明內容

因此，本發明的目的在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種獲得高質量Cu₂O薄膜的制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

根據本發明，提供一種氧化亞銅薄膜的制備方法，包括以下步驟：

1)選取單晶襯底并清洗，然后將其導入超高真空制膜系統；

2)在超高真空下對單晶襯底進行熱處理，以去除其表面雜質；

3)在氣壓≤10^-8mbar條件下，在步驟2)的襯底表面沉積Cu膜，襯底溫度為0～700℃；

4)用射頻氧等離子體對Cu膜進行氧化處理；

5)在溫度600～900℃下退火10～30分鐘，然而降至室溫取出。

在上述技術方案中，所述步驟4)中襯底溫度為200～800℃。

在上述技術方案中，所述步驟4)中氧氣流量為0.2～2.0sccm。

在上述技術方案中，所述步驟4)中射頻功率為100～350W。

在上述技術方案中，所述超高真空制膜系統為射頻氧等離子體輔助分子束外延系統。

在上述技術方案中，所述單晶襯底為氧化物或非氧化物半導體材料。

在上述技術方案中，當所述單晶襯底為氧化物半導體材料時，所述步驟2)包括：

步驟201)：在溫度為750～900℃下保持10～30分鐘；

步驟202)：在溫度為400～750℃下，對步驟201)得到的氧化物單晶襯底表面進行10～30分鐘的氧等離子體處理。

在上述技術方案中，所述步驟202)中對氧化物單晶襯底表面采用氧等離子體處理是利用活性氧對襯底表面進行轟擊，以獲得氧終止表面，同時修復表面損傷。

在上述技術方案中，所述步驟5)中的退火氛圍為氧氣環境。

上述制備Cu₂O薄膜的方法與現有方法的不同之處主要有兩點：一、使用了射頻氧等離子體作為氧源對Cu膜進行氧化。在同樣的氧氣分壓和襯底溫度下，若簡單的使用氧氣作為氧源，即使在較高溫度下氧化速率和極限氧化深度都很小，而采用射頻氧等離子則很好地解決了這一問題；二、采用了超高真空分子束外延技術進行高質量Cu膜的沉積。MBE所用的源材料純度很高，通常都在99.999％以上，而且MBE背底真空很高(≤10^-8mbar(毫巴))，這表明腔內殘余氣體非常少。因此薄膜中的雜質含量低，這樣制備出來的薄膜結晶質量高、光電性能好。在合適的單晶襯底(如ZnO)上，還可以外延生長質量很高的單晶Cu膜，為進一步提高Cu₂O薄膜的結晶質量奠定了基礎，也使得制備單晶Cu₂O薄膜成為可能。整個生長過程都可在RHEED的原位監測下進行，通過對生長溫度、氧氣流量、射頻功率及氧化時間的及時調整，可以進行Cu膜的可控氧化，從而實現Cu₂O薄膜生長的精確控制，克服氧化不足以及過氧化效應，制備高質量單一組分甚至單一相、單晶的Cu₂O薄膜。XRD測試結果表明利用本發明獲得的薄膜為Cu₂O單一組分，沒有CuO及其他Cu_xO化合物的雜相共存。利用范德堡法對薄膜進行電學性能測試，結果表明獲得的薄膜為p型導電，并且具有很好的電學性能。

因此，與目前常用的制備方法相比，本發明方法有以下三個優點：