專利名稱：等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種半導體薄膜，特別是一種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜，屬于半導體材料領域。
背景技術：
熱光伏發電系統是將熱能轉換成電能的裝置。它通過熱源加熱發光材料使之產生近紅外的光輻射，再通過半導體光伏電池將光能轉換成電能，具有能量密度大、轉換效率高等優點，等離子濾波器是熱光伏系統中的關鍵裝置之一，可以顯著提高系統的能量轉換效率，濾波器材料一般為高載流子濃度、寬帶隙半導體薄膜。等離子體濾波器的基本特點是對頻率高于濾波器等離子體頻率ωp但低于濾波器材料本身帶隙的光具有很高透過率，而對低于ωp的光則具有高反射率。經文獻檢索發現，T.J.Coutts在《Renewable and Sustainable Energy Reviews》(可再生與可持續能源綜述)，第3卷(1999)77-184頁報道了傳統的等離子體濾波器材料，即透明導電氧化物(TCO)，這類材料雖然帶隙很大(＞3.2eV)，但由于其電子有效質量比較大(約0.35m0)，自由載流子吸收帶較寬，很大程度上阻礙了濾波器性能的提高，并指出要有效利用等離子體濾波器的唯一可能是采用高濃度、高遷移率的半導體材料，并且把濾波器集成到整個熱光伏器件結構中。文獻檢索中還發現，H.Ehsani等人在《Journal of Applied Physics》(應用物理雜志)，第81卷(1997)432-439頁，報道了用硅(Si)來做等離子體濾波器，其優點是硅的生長工藝已經很成熟，成本低。他們通過兩種方法獲得所需要的高載流子濃度擴散技術和離子注入之后再進行高溫退火，調整條件即可以控制載流子濃度。但是對這些Si薄膜等離子體濾波器的光學性質研究中發現，雖然對等離子體頻率以下的光反射率最大可達到85％，但是對等離子體頻率以上的光(即可利用光)透射率普遍較低(＜50％)，不利于可利用光的透過，而且摻雜后造成的缺陷也導致了近紅外波段較大的光吸收。另外從Si本身的性質來說，由于Si的帶隙較小(1.1eV)，造成濾波器的透過帶(ωp與帶隙對應頻率之間)比較窄，也限制了有用光的充分透過；而且要通過重摻雜才能達到所要求的高載流子濃度，使工藝復雜化。
發明內容
本發明針對背景技術中TCO和硅材料在等離子體濾波器應用上的不足，提供一種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜，使其更有效地將可利用的光透過，而將不可利用的光反射回熱源，提高熱光伏系統的能量轉換效率。本發明是根據以下的技術方案實現的，本發明用磁控濺射法生長氮化銦(InN)薄膜，采用純度為99.999％的金屬銦作為靶，純氮氣為濺射氣體，得到的氮化銦薄膜中In元素和N元素的原子百分比為1∶1，因而具有較好的晶體質量。
用磁控濺射法生長的氮化銦薄膜為n型半導體，不需摻雜就具有等離子體濾波器所需要的很高的電子濃度(1020cm-3量級)。在氮化銦薄膜的生長過程中，以控制襯底溫度和濺射氣壓，改變氮化銦電子濃度，以控制濺射時間控制薄膜厚度，以適合不同濾波器的需要，因為熱光伏系統中不同的光伏電池，需要具有與其帶隙相對應的等離子體頻率的等離子體濾波器。
氮化銦的電子有效質量m*較小(0.115m0)，根據公式ωp＝(4πne2/ε∞m*)1/2，如果有效質量較小，在較低的載流子濃度下就能達到所要求的等離子體頻率ωp，大大減少了自由載流子吸收；磁控濺射法生長的氮化銦帶隙大約為1.9eV，因此它的透過帶比Si要寬；另外，氮化銦與通常使用的光伏電池材料同為III-V族半導體，有利于整個熱光伏系統的集成。
本發明具有實質性特點和顯著進步，具有很好的濾波性能，并具有光損失小、透過范圍大和利于系統集成的優點。
具體實施例方式
以下結合實例進一步說明本發明的內容等離子體濾波器性能對熱光伏系統關鍵參數為等離子體頻率(波長)、反射率、透射率、吸收率及透過帶寬等，而這些性能又決定于半導體薄膜本身的性質。以光伏電池帶隙為0.75、0.70和0.65eV為例，所需氮化銦薄膜載流子濃度分別為3.95、3.45和2.95(×1020cm-3)，對應等離子體波長λp分別為1.65、1.77和1.91μm，需要薄膜厚度2μm左右。
用磁控濺射法生長氮化銦半導體薄膜，濺射室真空度為10-7Torr，襯底與靶之間距離固定為30mm，濺射功率恒定為100W。薄膜厚度通過濺射時間來控制，載流子濃度的控制條件為襯底溫度和濺射氣壓。在一系列不同條件生長氮化銦薄膜。
通過特定的檢測方法，可以檢測氮化銦薄膜的載流子濃度，薄膜厚度以及作為濾波器時的反射率、透射率、吸收率及透過帶寬等，然后確定薄膜的生長條件。對于步驟1中選擇的三個實施例，選擇的生長條件為襯底溫度100℃，濺射氣壓分別為5、10和15mTorr，濺射時間為60分鐘。薄膜的實際參數分別為n＝3.90×1020cm-3，λp＝1.67μm，d＝2.01μm；n＝3.55×1020cm-3，λp＝1.75μm，d＝1.98μm；n＝2.95×1020cm-3，λp＝1.91μm，d＝1.73μm。從濾波器性能看，這三種氮化銦薄膜是符合濾波器要求的，ωp以下反射率超過85％，ωp與帶隙對應頻率之間的透射率約80％，具有良好的濾波性能。其反射率已接近透明導電氧化物等離子體濾波器在理想情況下的計算值，而其吸收帶(ωp附近)較窄，因此光損失較小；而其透射性能也明顯優于硅等離子體濾波器的相應值(＜50％)。
權利要求
1.一種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜，其特征在于用磁控濺射法生長氮化銦薄膜，采用純度為99.999％的金屬銦作為靶，純氮氣為濺射氣體，得到的氮化銦薄膜中In元素和N元素的原子百分比為1∶1。
2.根據權利要求1所述的這種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜，其特征是用磁控濺射法生長的氮化銦薄膜，濺射室真空度為10-7Torr，襯底與靶之間距離固定為30mm，濺射功率恒定為100W。
3.根據權利要求1所述的這種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜，其特征是在氮化銦薄膜的生長過程中，用磁控濺射法生長的氮化銦薄膜為n型半導體，以控制襯底溫度和濺射氣壓改變氮化銦電子濃度，以控制濺射時間來控制薄膜厚度。
4.根據權利要求1所述的這種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜，其特征是以光伏電池帶隙為0.75、0.70和0.65eV為例，所需氮化銦薄膜載流子濃度分別為3.951020cm-3、3.451020cm-3和2.95×1020cm-3，對應等離子體波長λp分別為1.65、1.77和1.91μm，需要薄膜厚度2μm。
全文摘要
一種等離子體濾波器氮化銦半導體薄膜屬于半導體材料領域。本發明提供一種磁控濺射法生長的半導體氮化銦薄膜作為等離子體濾波器材料，薄膜中In元素和N元素的原子百分比為1∶1，具有較好的晶體質量，不需摻雜就能達到等離子體濾波器所需要的高電子濃度，通過控制生長條件，可以方便的調節薄膜的電子濃度和薄膜厚度，適應不同濾波器的要求，具有很好的濾波性能，并具有光損失小、透過范圍大和利于系統集成的優點。
文檔編號H01L31/0232GK1405900SQ0214510
公開日2003年3月26日 申請日期2002年11月7日 優先權日2002年11月7日
發明者沈文忠, 錢志剛 申請人:上海交通大學