[發明專利]一種生長高質量均勻硒化鍺薄膜的裝置及方法

有效

• 申請號: 201911194618.5
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN112853270B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 姜鵬;袁敏;包信和
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: C23C14/22
• 分類號: C23C14/22;C23C14/06
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 毛薇;李馨

本發明涉及一種生長高質量均勻硒化鍺薄膜的裝置及方法：本發明在管式石英爐中，利用物理氣相輸運方法，通過垂直放置襯底及調節生長溫度(400?600℃)，使用GeSe作為生長源，實現在多種襯底上生長均勻硒化鍺薄膜。所制備的材料成分均一，膜厚均勻性優于10％。本發明所述方法操作簡單，成本低廉。所制備硒化鍺薄膜在可見光區域的吸收光譜與薄膜厚度密切相關，可用于制備超薄光電子器件的硒化鍺涂層、玻璃薄膜以及熱電薄膜。

技術領域

本發明屬于薄膜制備技術領域，涉及一種在多種襯底上生長高質量均勻硒化鍺薄膜的裝置及方法。

背景技術

GeSe是Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物，具有無毒、儲量豐富的特點。GeSe的帶隙寬度與可見光譜的吻合，在可見光區域具有高達105cm^-1的吸光系數，同時具有高的空穴遷移率128cm²V^-1s^-1。由于其優異的電學和熱學性能，GeSe也是一種潛在的優異熱電材料，p型和n型的材料可以通過調控其組分和結構穩定存在，有望應用于熱電器件，目前報導GeSe基熱電材料的ZT可以達到0.97。此外，GeSe也被認為能夠用作為吸收材料應用于光伏發電。目前所制備的GeSe薄膜太陽能電池能量轉換效率可以達到1.48％。Ge-Se合金也是一種適用于紅外光學的硫基玻璃，具有良好的半導體導電性、高透紅外光學性和低的雜質敏感性，透明度從0.6到30可調，并且機械性能良好，是重要的光學與光電子材料。GeSe在808nm波段具有很強各向異性吸收，可以集成用于極化的近紅外光學領域。硫基玻璃材料的制備工藝簡單、與金屬封接容易、原材料便宜，因此受到廣泛的研究。為優化硫基玻璃的性質，提升應用價值，對Ge-Se的制備工藝與性質的研究具有重要意義。到目前為止，科研工作者發展了多種制備Ge_xSe_1-x薄膜的方法，包括磁控濺射法、真空熱蒸發法、化學氣相淀積法、物理氣相沉積法等。不同制備方法有各自的優點，同時也會表現出一定的局限性，例如氣相沉積法難以實現大面積范圍內厚度均勻的薄膜生長，溶膠凝膠法相對昂貴且耗時，磁控濺射法制備的硫基玻璃Ge_xSe_1-x的化學計量比難以控制等。由于鍺和硒的熔點和沸點差別很大，各元素的蒸發速率不相同，使得薄膜的化學組成與塊體玻璃有較大的偏差。同時又由于鍺和硒的反應過程中很容易生產二硒化鍺及其他鍺的化合物，因此在制備時容易存在雜質或化學成分不均勻的情況。隨著小尺寸半導體材料的需求不斷擴大，同時考慮到制備工藝對樣品的尺寸產率形貌及物性的影響，制備方法的優化與革新已經成為該領域的研究熱點，實現表面平整、連續無損GeSe薄膜的均勻快速制備具有重要研究意義。

發明內容

基于以上背景技術，本發明克服現有技術的不足，提供一種生長高質量均勻硒化鍺薄膜的方法及裝置，能夠大面積生長具有均一成分、均勻厚度的GeSe薄膜，同時不同厚度的薄膜表現出不同的光學性質，方法具有良好的可操作性。

本發明解決方案：一種在多種襯底上制備高質量均勻硒化鍺薄膜的方法。采用物理氣相輸運方法，在管式爐中加熱硒化鍺粉末，使用惰性氣體進行氣相輸運，調節襯底的放置方式和生長溫度控制硒化鍺薄膜的生長。

本發明一方面提供一種制備硒化鍺薄膜的裝置，所述裝置包括反應管Ⅰ、反應管Ⅱ、加熱爐、襯底、石英樣品托；所述反應管Ⅱ沿軸向放置于反應管Ⅰ中，所述反應管Ⅱ兩端開口；所述反應管Ⅰ兩端分別設有開孔a和開孔b；所述加熱爐用于給反應管Ⅰ加熱；所述石英樣品托沿反應管Ⅱ的軸向水平設置；所述襯底垂直設置于所述石英樣品托上；所述開孔a和開孔b分別作為氣體入口和氣體出口。所述的加熱爐優選為管式爐。

基于以上技術方案，優選的，所述反應管Ⅰ和反應管Ⅱ為石英管；反應管Ⅰ的直徑大于反應管Ⅱ的直徑；所述反應管Ⅰ直徑為20～100mm，長度為500-2000mm；所述反應管Ⅱ的直徑為10～80mm，長度為300～1000mm。