[发明专利]一种在非硅衬底上制备Mg2Si薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Mg₂Si半导体薄膜的制备方法，尤其涉及一种在非硅衬底上制备 Mg₂Si半导体薄膜的方法。

背景技术

Mg₂Si是一种具有反萤石结构的金属硅化物环境友好半导体材料，价格低廉、元素 无毒无污染。带隙值在0.6eV-0.8eV之间，在红外传感器、红外光LED等光电器件领域具有广 阔的应用前景；具有很高的热电系数(ZT>1)、很低的热导率和电阻率，在热电器件中具有重 要应用价值。它有望逐步取代以前有毒或容易造成环境污染的半导体材料，具有较大的社 会效益及环境效益。目前，国内外Mg₂Si薄膜主要是在硅衬底上制备的，如利用磁控溅射、热 蒸发、热扩散方法在硅衬底上沉积一层Mg经高温退火后形成Mg₂Si薄膜(专利 CN201010147304.2，CN201210455881.7，CN200710064777.4)，或采用分子束外延技术镁硅 共沉积的方法在硅衬底上制备出Mg₂Si薄膜（文献PHYSICALREVIEWB，VOLUME54,NUMBER 23）。这些方法虽然均能制备出高质量的Mg₂Si薄膜，但由于以下几个方面的原因，这些方法 在Mg₂Si薄膜器件制备中受到很大的限制。（1）硅衬底的导电类型会直接影响Mg₂Si薄膜导电 类型的测试，如硅衬底为n型，测得的未刻意掺杂的Mg₂Si薄膜也为n型；若硅衬底为p型，测 得的未刻意掺杂的Mg₂Si薄膜也为p型。因此在硅衬底上无法直接获得Mg₂Si薄膜的导电类 型。（2）由于在硅衬底上生长的Mg₂Si薄膜是利用金属镁的高活性，在适当的温度下与硅进 行固相反应而得到的。反应后，Mg₂Si与硅的界面很不平整，存在诸多缺陷，这些缺陷将会严 重影响Mg₂Si薄膜器件的性质。（3）由于硅的导热性能很好，而具有良好性能的热电器件的 关键因素是材料的热导率尽可能低，所以在硅衬底上制备Mg₂Si薄膜热电器件受到了极大 的限制。（4）LED产业中，蓝宝石衬底是目前的主流选择，几乎占据99%的市场，其制造技术成 熟性、稳定性等方面现在都比硅衬底好，硅衬底LED的良率、光效以及成本等依旧是当下亟 待解决的问题，因此，其市场认同度不够，参与推广应用的企业少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：供一种在非硅衬底上制备高质量的Mg₂Si半导体薄 膜的方法，以克服现有技术存在的硅衬底上的Mg₂Si薄膜导电类型无法直接测量、Mg₂Si/Si 界面缺陷密度大、硅衬底上的热电器件性能不佳、硅衬底LED的良率低、光效差、难于工业化 推广等缺点。

本发明的技术方案是：一种在非硅衬底上制备Mg₂Si薄膜的方法，包含以下步骤： 第一、在清洁的非硅衬底上沉积一层Si膜,然后在Si膜上沉积一层Mg膜；第二、退火工艺， 沉积完成后的样品置于高真空退火炉中进行低真空氛围退火，最后制备得到Mg₂Si半导体 薄膜。

所述非硅衬底为玻璃衬底、石英衬底、蓝宝石衬底、GaN衬底、GaAs衬底、SiC衬底或 石墨衬底。

所述高真空薄膜沉积系统为磁控溅射系统、热蒸发系统薄膜的物理气相沉积系 统。

Si膜厚度为125-225nm。

Mg膜的厚度为190-250nm。

在沉积Si膜和Mg膜前，对预先装在真空系统的Si和Mg预处理，以去除Si、Mg表面的 氧化物污染物。

退火前对退火炉抽真空，使其背底真空小于等于10-4Pa。

退火过程中，保持退火炉腔体内气压为10-1-10-2Pa，退火时间为3.5-4.5小时，退 火温度为350-450℃。