论文部分内容阅读
Ge1-xCx薄膜成分简单易得,且光学带隙可随Ge/C含量及Ge-C键合比宽范围调整,作为一种新型高效低成本半导体薄膜材料在红外光学/光伏材料领域应用潜力巨大。为保证其制备所需的非平衡条件,目前采用含H气体Ge、C源结合等离子体辅助气相沉积方法制备的薄膜存在成本偏高、Ge/C成分比例控制难度大、且因含H而服役热稳定性较差等问题。为此,本文试图探索直接基于低成本Ge/C(石墨)纯组元靶材,利用多靶交替直流溅射制备无HGe1-xCx薄膜的可行性及主要技术难点,研究基于溅射产额模型控制薄膜Ge/C含量的有效方法,通过改变溅射工况及对与非平衡条件相关溅射工艺参数的正交实验优化,揭示影响薄膜Ge-C键形成比例的关键因素及规律,实验研究Al掺杂对提高Ge1-xCx薄膜光子吸收性能及电学性能的作用及基本规律。研究结果显示:1)利用DC-MS技术结合Ge、C纯组元靶可制备无H Ge1-xCx薄膜。2)基于溅射产额模型结合参数修正可对Ge-C二元膜的C含量进行有效调控,各工况下C含量调控误差水平保持在-7%~4%之间。3)C含量统一为31.5 at.%时,改变靶功率及靶位分布制备的Ge-C二元膜中Ge1-xCx形成比例在2.5%~8.2%之间变化,薄膜光学带隙相应在0.91 eV～1.11eV范围变化。与低靶功率相比,高靶功率(IGe=2.31 A、IC=3.5A)沉积不利于形成高Ge1-xCx比例及获得较宽的光学带隙水平。4)基于C靶电流(IC)、基片偏压(Us)以及基片转速(ω)等非平衡条件相关溅射参数设计正交实验沉积Ge-C二元膜,发现溅射参数对其Ge1-xCx形成比例及光学带隙的影响程度为IC>ω>Us。随溅射参数变化薄膜Ge1-xCx形成比例在4.1%~8.9%范围变化,相应光学带隙变化范围为1.08 eV～1.15 eV,光学带隙与Ge1-xCx形成比例的变化趋势基本一致。各种参数组合中,IC=0.96A、Us=-35 V、ω=7r/min时,非平衡条件最为有利,获得最高水平的Ge1-xCx比例及光学带隙水平。5)纯组元靶交替沉积制备无H Ge1-xCx薄膜尽管可行,但存在Ge、C组元难以实现均匀混合的技术难点。特别是高靶功率沉积时,易出现Ge、C组元沉积分层,此时仅层间界面附近混合区具有Ge1-xCx形成可能;而低靶功率下,即使基片偏压、基片转速等其它非平衡条件有利,Ge-C二元膜中也会形成非晶C基体上分布纳米尺度Ge团簇的镶嵌结构,此时仅Ge团簇外围混合区具有Ge1-xCx形成可能,Ge1-xCx形成比例较高功率条件有所改善,但仍导致薄膜整体Ge1-xCx形成比例及光学带隙水平不够理想。6)利用简单溅射产额模型可对A1掺杂比例进行一定精度(约5 at.%)的控制,其误差主要来自溅射阈值偏低导致A1组元在成膜过程中的自溅射损失。A1掺杂实际比例高于10 at.%时,Ge1-xCx薄膜电导率可提高近两个数量级,而其吸收性能变化不大;但是A1掺杂同时导致薄膜光学带隙由掺杂前的1.11 eV逐渐下降至0.80 eV(对应A1掺杂实际比例约27.3 at.%),因此Al掺杂仅在较低比例下对改善薄膜整体光电性能有益。