[发明专利]一种生长高质量均匀硒化锗薄膜的装置及方法

说明书

本发明涉及一种生长高质量均匀硒化锗薄膜的装置及方法：本发明在管式石英炉中，利用物理气相输运方法，通过垂直放置衬底及调节生长温度(400‑600℃)，使用GeSe作为生长源，实现在多种衬底上生长均匀硒化锗薄膜。所制备的材料成分均一，膜厚均匀性优于10％。本发明所述方法操作简单，成本低廉。所制备硒化锗薄膜在可见光区域的吸收光谱与薄膜厚度密切相关，可用于制备超薄光电子器件的硒化锗涂层、玻璃薄膜以及热电薄膜。

技术领域

本发明属于薄膜制备技术领域，涉及一种在多种衬底上生长高质量均匀硒化锗薄膜的装置及方法。

背景技术

GeSe是Ⅳ-Ⅵ族硫族化合物，具有无毒、储量丰富的特点。GeSe的带隙宽度与可见光谱的吻合，在可见光区域具有高达105cm^-1的吸光系数，同时具有高的空穴迁移率128cm²V^-1s^-1。由于其优异的电学和热学性能，GeSe也是一种潜在的优异热电材料，p型和n型的材料可以通过调控其组分和结构稳定存在，有望应用于热电器件，目前报导GeSe基热电材料的ZT可以达到0.97。此外，GeSe也被认为能够用作为吸收材料应用于光伏发电。目前所制备的GeSe薄膜太阳能电池能量转换效率可以达到1.48％。Ge-Se合金也是一种适用于红外光学的硫基玻璃，具有良好的半导体导电性、高透红外光学性和低的杂质敏感性，透明度从0.6到30可调，并且机械性能良好，是重要的光学与光电子材料。GeSe在808nm波段具有很强各向异性吸收，可以集成用于极化的近红外光学领域。硫基玻璃材料的制备工艺简单、与金属封接容易、原材料便宜，因此受到广泛的研究。为优化硫基玻璃的性质，提升应用价值，对Ge-Se的制备工艺与性质的研究具有重要意义。到目前为止，科研工作者发展了多种制备Ge_xSe_1-x薄膜的方法，包括磁控溅射法、真空热蒸发法、化学气相淀积法、物理气相沉积法等。不同制备方法有各自的优点，同时也会表现出一定的局限性，例如气相沉积法难以实现大面积范围内厚度均匀的薄膜生长，溶胶凝胶法相对昂贵且耗时，磁控溅射法制备的硫基玻璃Ge_xSe_1-x的化学计量比难以控制等。由于锗和硒的熔点和沸点差别很大，各元素的蒸发速率不相同，使得薄膜的化学组成与块体玻璃有较大的偏差。同时又由于锗和硒的反应过程中很容易生产二硒化锗及其他锗的化合物，因此在制备时容易存在杂质或化学成分不均匀的情况。随着小尺寸半导体材料的需求不断扩大，同时考虑到制备工艺对样品的尺寸产率形貌及物性的影响，制备方法的优化与革新已经成为该领域的研究热点，实现表面平整、连续无损GeSe薄膜的均匀快速制备具有重要研究意义。

发明内容

基于以上背景技术，本发明克服现有技术的不足，提供一种生长高质量均匀硒化锗薄膜的方法及装置，能够大面积生长具有均一成分、均匀厚度的GeSe薄膜，同时不同厚度的薄膜表现出不同的光学性质，方法具有良好的可操作性。

本发明解决方案：一种在多种衬底上制备高质量均匀硒化锗薄膜的方法。采用物理气相输运方法，在管式炉中加热硒化锗粉末，使用惰性气体进行气相输运，调节衬底的放置方式和生长温度控制硒化锗薄膜的生长。

本发明一方面提供一种制备硒化锗薄膜的装置，所述装置包括反应管Ⅰ、反应管Ⅱ、加热炉、衬底、石英样品托；所述反应管Ⅱ沿轴向放置于反应管Ⅰ中，所述反应管Ⅱ两端开口；所述反应管Ⅰ两端分别设有开孔a和开孔b；所述加热炉用于给反应管Ⅰ加热；所述石英样品托沿反应管Ⅱ的轴向水平设置；所述衬底垂直设置于所述石英样品托上；所述开孔a和开孔b分别作为气体入口和气体出口。所述的加热炉优选为管式炉。

基于以上技术方案，优选的，所述反应管Ⅰ和反应管Ⅱ为石英管；反应管Ⅰ的直径大于反应管Ⅱ的直径；所述反应管Ⅰ直径为20～100mm，长度为500-2000mm；所述反应管Ⅱ的直径为10～80mm，长度为300～1000mm。