一种以In2O3为靶材制备InN薄膜材料的方法与流程

本发明属于氮化物光电薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种在衬底si(100)晶面生长inn薄膜材料的制备方法。

背景技术：

ⅲ-ⅴ氮化物都是直接带隙半导体材料，属于新型半导体材料，例如它们中氮化镓(gan)已经被认为是第三代半导体的代表，已经在微电子和光电子器件方面器件领域得到了广泛的应用。氮化铟(inn)由于其优异特性，近年来受到人们的广泛关注，成为当今半导体材料和器件以及传感器研究领域的热点之一。理论研究表明inn材料在ⅲ-ⅴ族氮化物半导体材料中具有最高的饱和电子漂移速度和电子渡越速度，以及最小的有效电子质量；大量的实验研究文献证明inn室温下的带隙宽度是0.7ev。inn因其特殊的禁带宽度在高频高速晶体管、太赫兹器件、发光二极管、热电器件、太阳能电池等领域将会有巨大的应用潜力。

目前国际上关于inn材料的报道比较多，随着生长工艺技术的提高，inn薄膜材料已经能够采用磁控溅射、金属有机气相外延(movpe)或金属有机化学气相沉积(mocvd)等方法进行生长。翟露青等人利用mocvd方法，三甲基铟作为in源，制备出inn薄膜材料，但是传统的mocvd方法过程繁琐，成本昂贵；王金颖等人利用磁控溅射方法，金属铟靶作为in源，制备出inn薄膜材料，制备出的inn薄膜xrd衍射峰强较小，生长不均匀，有衬底杂峰。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种在si上制备inn薄膜的方法，该方法选用in2o3靶材，制备出能够在si上生长的高纯度、结晶质量好的inn薄膜材料。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术方案：

一种以in2o3为靶材制备inn薄膜材料的方法，包括以下步骤，

用丙酮、四氯化碳、无水乙醇和去离子水清洗硅片；

清洗后的硅片进行磁控溅射沉积inn薄膜，磁控溅射沉积时，in2o3作为靶材，同时in2o3靶材为in源，腔室温度为500～600℃，溅射压强为0.6～1.8pa。

优选的，磁控溅射沉积时，腔室温度为600℃，溅射压强为0.6pa。

所述磁控溅射沉积时，溅射气体为ar:n2＝20:20sccm。磁控溅射功率为80～90w。硅片优选si(100)。

本发明的有益效果为：

(1)本发明研究首次采用in2o3靶，在溅射温度600℃生长出纯的inn薄膜材料，是目前为止已经公开的inn薄膜质量中较佳的，相比金属铟作为靶材，本发明制备的inn薄膜微观形貌颗粒大、结晶质量好、纯度高、没有杂质生成。

(2)本发明以si(100)为衬底，腔室温度500℃下的较600℃下的inn薄膜质量差，但500℃下也已经出现了明显的峰位，相比于常规方法制得的inn薄膜，xrd衍射峰强较大。

(3)本发明采用磁控溅射法，通过控制磁控溅射温度和磁控溅射压强，其他参数例如功率、气体流量比、溅射时间不变的条件下制备了一种高纯度、颗粒大、均匀性好、无杂质的inn薄膜材料，溅射过程无需任何模板和催化剂，工艺简单、无污染、易操作，采用si(100)为衬底，成本低廉，适合于大批量生产。

附图说明

图1为在衬底温度为500℃下样品的xrd图；

图2为在衬底温度为500℃下样品的sem图；

图3为在衬底温度为500℃下样品的eds图；

图4为在衬底温度为400℃下样品的xrd图；

图5为在衬底温度为400℃下样品的sem图；

图6为在衬底温度为400℃下样品的eds图；

图7为在衬底温度为300℃下样品的xrd图；

图8为在衬底温度为300℃下样品的sem图；

图9为在衬底温度为300℃下样品的eds图；

图10为在衬底温度为600℃下样品的xrd图；

图11为在衬底温度为600℃下样品的sem图；

图12为在衬底温度为600℃下样品的eds图；

图13为在溅射气压为0.3pa下样品的xrd图；

图14为在溅射气压为0.3pa下样品的sem图；

图15为在溅射气压为0.3pa下样品的eds图；

图16为在溅射气压为1.2pa下样品的xrd图；

图17为在溅射气压为1.2pa下样品的sem图；

图18为在溅射气压为1.2pa下样品的eds图；

图19为在溅射气压为1.8pa下样品的xrd图；

图20为在溅射气压为1.8pa下样品的sem图；

图21为在溅射气压为1.8pa下样品的eds图。

以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明以si(100)为衬底，采用磁控溅射法在si(100)上in2o3靶为in源制备inn薄膜材料，整个制备过程在密闭、高真空条件下进行。现有技术制备的inn薄膜或多或少会有杂质峰生成，本发明首次制备出无杂峰的inn薄膜材料。

本发明所描述的si(100)是指衬底表面的晶面指数为(100)的晶体硅片。

实施例1

本实施例提供一种以in2o3为靶材制备inn薄膜材料的方法，步骤如下，

步骤一，将切好未抛光的1cm×1cm大小的硅片si(100)衬底放置在100ml的烧杯中，用丙酮溶液和四氯化碳体积比为1:1的溶液倒入烧杯中，直至混合溶液淹没硅片，为防止在清洗中受到外界环境污染，在烧杯上面用干净的无尘纸封口；将烧杯放在超声波清洗器中，设置清洗时间为30分钟，重复两次；用无水乙醇清洗硅片，时间30分钟，重复两次；用去离子水清洗硅片，时间30分钟，重复两次，方可得到干净的硅片，最后将清洗完的硅片放置在用装好无水乙醇的玻璃瓶中以备后续使用。

步骤二，将洗好的硅片si(100)放置在圆形托盘上，然后将圆形托盘放置在样片架上，通过磁动机械手将圆形托盘送入反应腔室中，然后进行抽高真空，直到真空计显示为10^-4pa数量级。

调节腔室温度500℃，调节溅射压强0.6pa，调节旋转台的转台为2r/min，设置气体流速ar:n2＝20:20sccm，偏压50v，射频功率80w，溅射30min。

溅射结束后，关闭加热系统、转盘和气体，待反应腔室温度降至200℃以下或室温，以防样品被氧化，然后取出样品并装袋保存。

通过图1的xrd分析，在溅射温度为500℃下的样品也为in2o3和inn纳米混合物材料，inn的含量有所提高，通过图2的sem和图3的eds分析得到的样品为in2o3和inn纳米混合物比例约为1.23:1。

对比例1

本对比例提供一种薄膜材料的制备方法，制备步骤同实施例1，不同点在于：腔室温度400℃。

包括以下步骤：

通过图4的xrd分析，在溅射温度为400℃下的样品为in2o3和inn纳米混合物材料，通过图5的sem和图6的eds分析，得到的样品为in2o3和inn纳米混合物比例约为1.5:1。

对比例2

本对比例提供一种薄膜材料的制备方法，制备步骤同对比例1，不同点在于：腔室温度300℃。

所制备样品的xrd图谱如图7、通过图7的xrd分析，在磁控溅射温度为300℃下的样品为纯净的in2o3薄膜材料，通过图8的sem和图9的eds分析，里面有少量的si元素，应该理解为来自衬底si，in、o比例约为3:2，进一步证实了为纯净的in2o3薄膜材料，并未得到inn纳米材料。

实施例2

本实施例提供一种薄膜材料的制备方法，制备步骤同实施例1，不同点在于：腔室温度600℃。

通过图10的xrd分析，在溅射温度为600℃下的样品为高纯度的inn薄膜材料，通过图11的sem和图12的eds分析，进一步证实了为纯净的inn薄膜材料，且晶粒平均尺寸为650nm，晶粒尺寸均匀，且无杂峰。

对比例3

本对比例提供一种薄膜材料的制备方法，制备步骤同实施例1，不同点在于：腔室温度为600℃，溅射气压为0.3pa。

通过图13的xrd分析，下的样品为纯净的in2o3薄膜材料，通过图14的sem和图15的eds分析，进一步证实了为纯净的in2o3薄膜材料，没有生长成inn，原因可能是气压太低，不利于inn的合成。

实施例3

本实施例提供一种薄膜材料的制备方法，制备步骤同实施例1，不同点在于：溅射气压为1.2pa

通过图16的xrd分析，在溅射气压为1.2pa下的样品为inn薄膜材料，出现衬底si的衍射峰，通过图17的sem和图18的eds分析，si元素含量较高，得到的为结晶度不太好的inn薄膜材料。

实施例4

本实施例提供一种薄膜材料的制备方法，制备步骤同实施例1，不同点在于：溅射气压为1.8pa。

通过图19的xrd分析，在溅射气压为1.8pa下的样品为inn薄膜材料，出现少量衬底si的衍射峰，通过图20的sem和图21的eds分析，出现了o元素，可能来自于靶材，进一步证实了为inn薄膜材料，晶粒尺寸较小。