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一種具有優(yōu)異光敏性能In2S3薄膜的制備方法與流程

文檔序號:11768056閱讀:723來源:國知局
一種具有優(yōu)異光敏性能In2S3薄膜的制備方法與流程

本發(fā)明屬于功能薄膜材料的制備技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法。



背景技術(shù):

半導(dǎo)體光探測器是一種用來接收和探測光輻射的半導(dǎo)體光電器件,其在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。在紫外光探測領(lǐng)域,可以用來監(jiān)控臭氧層的厚度、污染物的排放量、探測并報警森林和油田的火災(zāi)等;可見光探測領(lǐng)域,可用來進(jìn)行光度計量和制作工業(yè)自動控制元件,如路燈控制、照相曝光控制和電影拾音等;紅外光探測領(lǐng)域,可用作導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像和紅外遙感等。光電探測器的核心部件為半導(dǎo)體材料,為適應(yīng)對其性能越來越高的需求,對這些半導(dǎo)體材料也提出了更高的要求:即高光響應(yīng)性、快響應(yīng)速率和良好波長選擇性。目前研究比較廣泛光敏材料有zno、cds等,其中zno納米線結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)型探測器具有較大的光暗電流比,但是制備工藝復(fù)雜,納米結(jié)構(gòu)的電極焊接技術(shù)困難,并且光響應(yīng)時間過長難以實際應(yīng)用;cds在光敏電阻器件領(lǐng)域研究比較充分且以用于實際生產(chǎn),但是cd元素毒性較大,嚴(yán)重限制了其大規(guī)模生產(chǎn)及使用。

in2s3屬于ⅲ-ⅵ族化合物半導(dǎo)體材料,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定且組成元素?zé)o毒,在稀磁半導(dǎo)體、光催化及薄膜太陽能電池等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,同時它也具有優(yōu)異的光電導(dǎo)性能,因此可用于光探測器領(lǐng)域,但是對于其在該領(lǐng)域應(yīng)用的研究十分有限。對于光探測器半導(dǎo)體材料,高的光暗電流比和快響應(yīng)速度對于探測器的性能至關(guān)重要,hilalcansizoglu等在導(dǎo)電玻璃上制備in2s3納米棒再覆蓋ag金屬薄膜形成納米結(jié)構(gòu)光電導(dǎo)器件,該器件響應(yīng)時間為0.5s,但是亮態(tài)和暗態(tài)電流比較小不超過3倍,且制備過程復(fù)雜。nilimachaudhari等采用水熱法制備出混有in(oh)3且具有正八面體結(jié)構(gòu)的β-in2s3薄膜光暗電流比超過104,且響應(yīng)速度快小于1s,但是該方法水熱反應(yīng)時間為10小時,生產(chǎn)效率很慢,且薄膜的重復(fù)性及附著性存在一定問題,不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。因此發(fā)展快速制備具有高光暗電流比和快響應(yīng)速率的in2s3薄膜具有一定的現(xiàn)實意義。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是解決上述問題,提供一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,該制備方法操作簡單、大面積均勻性好、沉積速度快、薄膜的附著性好且制備成本低。

為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,包括以下步驟:

s1:基片預(yù)處理:將基片清洗干凈后吹干,并置于磁控濺射腔室內(nèi),備用;

s2:預(yù)濺射:在磁控濺射儀靶槍上安裝in2s3靶材,銦硫原子比為2:3,對磁控濺射腔室抽真空后再通入氬氣,襯底溫度為室溫,擋板遮住襯底,設(shè)置濺射氣壓為2~3pa,開啟電源起輝,待輝光穩(wěn)定后,開始預(yù)濺射以除去in2s3靶材表面的污染物;

s3:濺射沉積in2s3薄膜:經(jīng)步驟s2處理后,移開擋板,保持濺射條件在基片進(jìn)行濺射沉積,濺射時間為60~300s,獲得in2s3薄膜。

值得說明的是,步驟s2預(yù)濺射的目的是除去in2s3靶材表面的污染物。優(yōu)選預(yù)濺射條件為:濺射功率為4~5w/㎝2,濺射氣壓為0.8~1.2pa,預(yù)濺射時間為120~300s。采用與步驟s3實際濺射功率和濺射氣壓一致僅僅為了操作方便,預(yù)濺射完成直接移開擋板便開始沉積。只要濺射功率在一定范圍內(nèi),不要太高破壞靶材或者太低除污效果差以外,可以有一定的波動對實驗結(jié)果不會有太大影響。因此,預(yù)濺射條件可以采用本領(lǐng)域中常規(guī)的濺射條件,本發(fā)明對此并沒有特殊的要求。

上述技術(shù)方案中,所述步驟s1中,清洗采用的具體方法為:將基片依次放入重鉻酸鉀溶液、丙酮、去離子水、酒精中,分別超聲清洗10-20min。需要說明的是,清洗的目的是為了去除基片表面的雜質(zhì)及有機(jī)物,因此并不限于前述具體清洗溶液和清洗參數(shù),同時也可以采用本領(lǐng)域中其它常規(guī)的基片清洗方法對基片進(jìn)行清洗。

上述技術(shù)方案中,所述步驟s2中,in2s3靶材的純度為99.99%。

上述技術(shù)方案中,所述步驟2中,磁控濺射儀靶槍至基片的距離為8~12㎝。

上述技術(shù)方案中,所述步驟s2中,對磁控濺射腔室抽真空至小于1×10-3pa。

上述技術(shù)方案中,所述步驟s2中,氬氣的純度為99.999%。

上述技術(shù)方案中,所述基片采用絕緣表面,且表面平整。具體可以采用但不限于玻璃或石英基底。絕緣表面且表面平整有利于in2s3薄膜的沉積附著。

上述技術(shù)方案中,所述步驟s3中,in2s3薄膜沉積的厚度為10~100nm。

本發(fā)明提供的具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,其創(chuàng)新點和原理在于:由于半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生光電效應(yīng)只限于光照的表面薄層,雖然產(chǎn)生的載流子也有少部分?jǐn)U散到內(nèi)部去,但是擴(kuò)散深度有限,因此光敏電阻只需比較薄的厚度。同時,降低薄膜的本征暗態(tài)電流對提高光暗電流比具有重要意義,當(dāng)薄膜薄到一定程度時,薄膜的結(jié)晶性會受到基底比較大的影響,對于in2s3結(jié)晶度明顯變差。再加上襯底溫度較低(室溫),因此薄膜中混有一定的非晶結(jié)構(gòu)顯著增大薄膜電阻降低本征暗態(tài)電流——具體的,磁控濺射過程,高能ar離子轟擊靶材獲得高能粒子,在較低襯底溫度沉積薄膜時,高能粒子快速冷卻,原子在襯底表面遷移能量不足,沉積薄膜晶粒顯著減少甚至部分為非晶態(tài),因此能夠有效提高薄膜的本征電阻率,與同樣厚度結(jié)晶態(tài)薄膜相比,電阻急劇提高。作為光敏原件工作時,薄膜暗態(tài)本征電流顯著降低,有利于獲得具有優(yōu)異光敏性能的in2s3薄膜。實驗證明,采用本發(fā)明提供的制備方法最終獲得了具有優(yōu)異光敏性能的in2s3薄膜,可見光照射下電流強(qiáng)度與暗態(tài)電流強(qiáng)度比超過100倍,反應(yīng)速度快小于1s,電流上升和衰減時間小于1s,可以有效用于可見光電探測器領(lǐng)域。

本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,采用磁控濺射法制備了均勻致密的in2s3薄膜,制備所得in2s3薄膜,在可見光照射下電流強(qiáng)度與暗態(tài)電流強(qiáng)度比超過100倍,光敏反應(yīng)速度快,電流上升和衰減時間小于1s,可以有效用于可見光探測器領(lǐng)域。總體而言,該制備方法操作簡單、薄膜厚度均勻可控、重復(fù)性好、沉積速度快、制備成本低、效率高,適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn),值得在業(yè)內(nèi)推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1制得的in2s3薄膜的光電導(dǎo)測試結(jié)果;

圖2是本發(fā)明實施例2制得的in2s3薄膜的光電導(dǎo)測試結(jié)果;

圖3是本發(fā)明實施例2分別沉積5min和30min薄膜xrd圖譜。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:

實施例1

一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,包括以下步驟:

s1:基片預(yù)處理:將基片依次放入重鉻酸鉀溶液、丙酮、去離子水、酒精中,分別超聲清洗10min。清洗干凈后吹干,并置于磁控濺射腔室內(nèi),備用;

s2:預(yù)濺射:在磁控濺射儀靶槍上安裝純度為99.99%的in2s3靶材,銦硫原子比為2:3,磁控濺射儀靶槍至基片的距離為10㎝;對磁控濺射腔室抽真空至小于1×10-3pa后,再通入純度為99.999%的氬氣;襯底溫度為室溫,擋板遮住襯底,設(shè)置濺射氣壓為2pa,開啟電源起輝,待輝光穩(wěn)定后,設(shè)置濺射功率為4w/㎝2,調(diào)整濺射氣壓為1.0pa,預(yù)濺射120s;

s3:濺射沉積in2s3薄膜:經(jīng)步驟s2處理后,移開擋板,保持濺射條件,在基片進(jìn)行濺射沉積,濺射時間為60s,獲得in2s3薄膜。

如圖1所示,是本實施例制得的in2s3薄膜的光電導(dǎo)測試結(jié)果,薄膜光照和暗態(tài)電流比為190,光敏性能優(yōu)異,響應(yīng)速度快,上升時間和衰減時間分別為930ms和550ms。

實施例2

一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,包括以下步驟:

s1:基片預(yù)處理:將基片依次放入重鉻酸鉀溶液、丙酮、去離子水、酒精中,分別超聲清洗15min。清洗干凈后吹干,并置于磁控濺射腔室內(nèi),備用;

s2:預(yù)濺射:在磁控濺射儀靶槍上安裝純度為99.99%的in2s3靶材,銦硫原子比為2:3,磁控濺射儀靶槍至基片的距離為10㎝;對磁控濺射腔室抽真空至小于1×10-3pa后,再通入純度為99.999%的氬氣;襯底溫度為室溫,擋板遮住襯底,設(shè)置濺射氣壓為2pa,開啟電源起輝,待輝光穩(wěn)定后,設(shè)置濺射功率為4w/㎝2,調(diào)整濺射氣壓為1.0pa,預(yù)濺射120s;

s3:濺射沉積in2s3薄膜:經(jīng)步驟s2處理后,移開擋板,保持濺射條件,在基片進(jìn)行濺射沉積,濺射時間為300s,獲得in2s3薄膜。

如圖2所示,是本實施例制得的in2s3薄膜的光電導(dǎo)測試結(jié)果,薄膜光照和暗態(tài)電流比為126,光敏性能優(yōu)異,響應(yīng)速度快,上升時間和衰減時間分別為820ms和860ms。

如圖3所示,是本實施例保持實驗參數(shù)不變時,沉積5min和30min薄膜xrd圖譜。沉積時間較短時由于薄膜張力影響,薄膜近似非晶。

實施例3

一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,包括以下步驟:

s1:基片預(yù)處理:將基片依次放入重鉻酸鉀溶液、丙酮、去離子水、酒精中,分別超聲清洗20min。清洗干凈后吹干,并置于磁控濺射腔室內(nèi),備用;

s2:預(yù)濺射:在磁控濺射儀靶槍上安裝純度為99.99%的in2s3靶材,銦硫原子比為2:3,磁控濺射儀靶槍至基片的距離為12㎝;對磁控濺射腔室抽真空至小于1×10-3pa后,再通入純度為99.999%的氬氣;襯底溫度為室溫,擋板遮住襯底,設(shè)置濺射氣壓為3pa,開啟電源起輝,待輝光穩(wěn)定后,設(shè)置濺射功率為5w/㎝2,調(diào)整濺射氣壓為0.8pa,預(yù)濺射300s;

s3:濺射沉積in2s3薄膜:經(jīng)步驟s2處理后,移開擋板,保持濺射條件,在基片進(jìn)行濺射沉積,濺射時間為240s,獲得in2s3薄膜。

實驗表明,光照和暗態(tài)電流強(qiáng)度比超過100倍,響應(yīng)速度快,電流上升和衰減時間小于1s。

實施例4

一種具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,包括以下步驟:

s1:基片預(yù)處理:將基片依次放入重鉻酸鉀溶液、丙酮、去離子水、酒精中,分別超聲清洗18min。清洗干凈后吹干,并置于磁控濺射腔室內(nèi),備用;

s2:預(yù)濺射:在磁控濺射儀靶槍上安裝純度為99.99%的in2s3靶材,銦硫原子比為2:3,磁控濺射儀靶槍至基片的距離為8㎝;對磁控濺射腔室抽真空至小于1×10-3pa后,再通入純度為99.999%的氬氣;襯底溫度為室溫,擋板遮住襯底,設(shè)置濺射氣壓為3pa,開啟電源起輝,待輝光穩(wěn)定后,設(shè)置濺射功率為5w/㎝2,調(diào)整濺射氣壓為1.2pa,預(yù)濺射200s;

s3:濺射沉積in2s3薄膜:經(jīng)步驟s2處理后,移開擋板,保持濺射條件,在基片進(jìn)行濺射沉積,濺射時間為120s,獲得in2s3薄膜。

實驗表明,光照和暗態(tài)電流強(qiáng)度比超過100倍,響應(yīng)速度快,電流上升和衰減時間小于1s。

綜上所述,本發(fā)明提供的具有優(yōu)異光敏性能in2s3薄膜的制備方法,磁控濺射過程,高能ar離子轟擊靶材獲得高能粒子,在較低襯底溫度沉積薄膜時,高能粒子快速冷卻,原子在襯底表面遷移能量不足,沉積薄膜晶粒顯著減少甚至部分為非晶態(tài),因此能夠有效提高薄膜的本征電阻率,與同樣厚度結(jié)晶態(tài)薄膜相比,電阻急劇提高。作為光敏原件工作時,薄膜暗態(tài)本征電流顯著降低,有利于獲得具有優(yōu)異光敏性能的in2s3薄膜,可見光照射下電流強(qiáng)度與暗態(tài)電流強(qiáng)度比超過100倍,光敏反應(yīng)速度快,電流上升和衰減時間小于1s,可以有效用于可見光探測器領(lǐng)域。該制備方法,利用磁控濺射縮短制備時間,操作方便,重復(fù)性好,沉積速度快,制備成本低,適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到,這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理,應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合,這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

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