一種基于氧離子束輔助沉積制備硒化鉛多晶薄膜的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光電子器件領域，涉及真空鍍膜技術和紅外光電探測技術，具體涉及 一種基于氧離子束輔助沉積制備硒化鉛多晶薄膜的方法。
【背景技術】
[0002] 硒化鉛（PbSe)是一種重要的窄禁帶（禁帶寬度0. 28eV)半導體材料。近年來，基 于PbSe多晶材料的非制冷中紅外探測器越來越受到人們的關注。該探測器可實現室溫下 響應中紅外輻射，具有響應速度快、靈敏度高等優點，基于此技術的探測器件可除去制冷系 統，實現器件的小型化與便攜化設計。
[0003]目前，該材料的制備主要采用化學合成與氣相沉積等方式。化學沉積的方式簡單 易行、工藝較為成熟，但是無法與CMOS工藝兼容，限制了其在光敏陣列集成方面的應用。而 氣相沉積法制備PbSe多晶薄膜需要對材料進行后續的敏化處理并產生特定的多晶結構。 國內外在PbSe多晶薄膜的制備工藝的研究大多都集中在氣相沉積與氣氛退火和化學浴合 成的方式。
[0004] 離子束輔助沉積是一種結合了離子注入技術和薄膜沉積技術的薄膜改性技術。本 發明提供一種基于離子束輔助沉積與真空退火的PbSe多晶薄膜的制備方法，可在真空沉 積階段將氧離子摻入薄膜中，采用氧離子注入的方式精確控制氧的摻入劑量與深度，真空 退火使得材料進行重結晶，得到具有一定晶體結構與形貌的多晶薄膜。該方法還將氧的摻 入與多晶化過程分離，可實現兩個過程獨立的參數優化，具有操作簡單、摻雜劑量與深度精 確調控、薄膜性質穩定等優點。
【發明內容】
[0005] 要解決的技術問題
[0006] 為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于氧離子束輔助沉積制備硒化 鉛多晶薄膜的方法，針對熱蒸鍍法制備的硒化鉛薄膜，采用氧離子輔助沉積工藝在薄膜生 長過程中摻入氧，并對薄膜進行真空退火完成多晶薄膜的制備，可用于制造對中紅外波段 靈敏度較高的非制冷光子探測器。
[0007] 技術方案
[0008] -種基于氧離子束輔助沉積制備硒化鉛多晶薄膜的方法，其特征在于步驟如下：
[0009] 步驟1 :在無水乙醇和丙酮中分別超聲清洗Si (100)襯底并烘干，將Si (100)襯底 和PbSe粉末分別置于真空室和坩堝中，在Si (100)襯底和PbSe粉末之間設有擋板，采用 熱蒸鍍法在Si (100)襯底表面生長一層PbSe薄膜；熱蒸鍍系統抽真空< 3X 10 4Pa，電流由 0 A增加至17 A，每隔3min增加0. 25A，待分子束的蒸發速率為1.2~時，將遮擋襯底 的擋板移開，開始生長PbSe薄膜；
[0010] 步驟2 :當生長的PbSe薄膜達到所需厚度時，保持真空冷卻，得到PbSe薄膜；
[0011] 步驟3 :在真空度< 6. 5X 10 4Pa的離子束輔助沉積環境下，采用氧離子輔助轟擊 PbSe薄膜表面，氧離子能量彡500eV，平均束流密度彡120 μ A/cm2,時間為1~5min ;
[0012] 步驟4 :對轟擊后的薄膜進行真空退火，得到硒化鉛多晶薄膜；其中：真空度不低 于I X 10 3Pa，溫度不高于450°C，退火時間大于30min，升溫速率不低于15°C /min。
[0013] 所述對Si (100)襯底在無水乙醇和丙酮中分別超聲清洗時間為15min~20min。
[0014] 所述Si (100)襯底厚度不小于1mm。
[0015] 所述步驟1生長的PbSe薄膜的PbSe粉末的純度彡99. 99%。
[0016] 所述PbSe薄膜所需厚度為0. 5~1 μ m。
[0017] 所述Si (100)襯底溫度穩定在120~200°C之間。
[0018] 有益效果
[0019] 本發明提出的一種基于氧離子束輔助沉積制備硒化鉛多晶薄膜的方法，針對目前 物理氣相沉積結合氣氛退火方法制備的PbSe薄膜過程中，不能精確控制氧的氧的摻入量 與深度分布的問題，運用離子束輔助沉積技術，采用靜態混合方式，在薄膜生長完成后對其 進行氧離子輔助轟擊表面，然后對薄膜進行后續的真空退火，制備出光敏特性良好、穩定的 PbSe多晶薄膜。該方法能夠精確地調控氧離子的注入劑量與深度分布，并將氧的摻入與多 晶化過程分離以增加過程優化的自由度。通過對所制備的樣品進行光學I-V特性、SEM、XRD 等初步表征，表明該方法制備的PbSe多晶薄膜具有良好的光電性能與表面特性。
[0020] 本發明的優點是：
[0021] 1.可通過控制離子能量、束流密度等參數精確調控氧離子的注入劑量與深度分 布，可通過后續退火過程形成不同的多晶結構，可進一步優化材料的光電性能。
[0022] 2.采用靜態混合方式而非動態混合方式進行離子輔助沉積，可有效降低由離子輔 助沉積過程引入的吸收缺陷。
[0023] 低能氧離子和較小的束流密度可減少電激活缺陷和其他吸收缺陷的形成，保障 PbSe薄膜的穩定性。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發明采用的裝置結構示意圖
[0025] 1-坩堝，2-加熱源，3-襯底架，4-PbSe薄膜，5-離子源，6-熱蒸鍍系統，7-離子束 輔助沉積系統
[0026] 圖2為實施實例一得到的多晶薄膜的XRD圖
[0027] 圖3為實施實例一得到的多晶薄膜的SEM圖
[0028] 圖4為實施實例二得到的多晶薄膜的XRD圖
[0029] 圖5為實施實例二得到的多晶薄膜的SEM圖
[0030] 圖6為實施實例三得到的多晶薄膜的XRD圖 [0031 ] 圖7為實施實例三得到的多晶薄膜的SEM圖
【具體實施方式】
[0032] 現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
[0033] 由于薄膜結構較塊狀材料疏松，且時效變化率較大，影響其工業應用，于是優化鍍 膜工藝顯得尤為重要。本發明采用靜態混合方式，即先用熱蒸鍍法在基板表面沉積一層薄 膜，再用氧離子進行輔助轟擊。本發明的特征在于采用與PbSe材料匹配良好的氧離子作為 離子輔助沉積過程的離子源。氧離子作為轟擊離子源，在對膜料分子進行沉積輔助的過程 中，產生級聯碰撞、能量沉積等物理效應，使膜層均勻致密、膜層與基板的結合更加牢固。同 時，氧離子與膜料分子或原子還發生了復雜的化學反應如化學激活、產生新的化學鍵，氧元 素的引入可提高PbSe薄膜對紅外光波的靈敏度。可通過調節束流密度、離子能量等參數精 確地調節注入劑量與深度分布，并進行后續的真空退火來改變薄膜的敏化特性。
[0034] 制備步驟為：
[0035] 1.制備前對基底在無水乙醇和丙酮中分別超聲清洗15min~20min，再經去離子 水清洗后烘干待用。將Si (100)襯底和PbSe粉末（純度多99. 99% )分別置于真空室的襯 底架3和坩堝1中，熱蒸鍍系統6抽真空至< 3X 10 4Pa,并用擋板遮住襯底。
[0036] 2.加熱源2為鎢絲，電