一种带隙可调的非晶碳薄膜及其制备方法与流程

1.本发明属于半导体材料技术领域，尤其涉及一种带隙可调的非晶碳薄膜及其制备方法。


背景技术：

2.非晶碳薄膜（a-c:h）是一种应用很广泛的薄膜材料，该材料的物理及化学性质如机械硬度、透明度、热导率、摩擦系数等可以在很大范围内调控，因此可作为摩擦保护层、辐射保护层等应用于诸多领域。同时非晶碳薄膜也可应用于半导体光伏领域，如作为表面抗反射层或者作为光伏电池的吸收层材料。非晶碳薄膜作为光伏电池吸收层材料具有材料成本低，带隙可调等优点，具有很大的应用潜力。本发明正是基于这一应用进行的研发。


技术实现要素：

3.本发明要解决的问题在于提供一种带隙可调的非晶碳薄膜及其制备方法，该非晶碳薄膜带隙宽度1.4-2.0 ev，可作为光伏电池吸收层材料应用，并且成膜速度快，薄膜的平整度高。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明提供了一种带隙可调的非晶碳薄膜，所述非晶碳薄膜采用射频磁控溅射方法在透明玻璃衬底上制备，制备过程中采用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，采用正丁烷作为磁控溅射过程中的反应气体源，控制射频电源功率为30-200 w，所述非晶碳薄膜的带隙宽度为1.4-2.0 ev。
5.在上述技术方案中，所述非晶碳薄膜的厚度为200-1000 nm。
6.本发明提供了一种带隙可调的非晶碳薄膜的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：（1）在磁控溅射设备上，以透明玻璃为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，衬底与靶材之间的距离为75mm；（2）对衬底进行预加热；（3）溅射系统腔室抽真空；（4）通入氩气至腔室内作为等离子体的反应气体；（5）通入正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体；（6）开启射频电源，调节腔室内压强，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，并通过调节射频电源的功率得到带隙不同的非晶碳薄膜。
7.在上述技术方案中，在步骤（2）中，衬底的预加热温度为200 ℃。
8.在上述技术方案中，在步骤（3）中，腔室内真空度为10-5 pa量级。
9.在上述技术方案中，在步骤（4）中，氩气的流量为1.7 sccm。
10.在上述技术方案中，在步骤（5）中，正丁烷通入腔室的流量为9-10 sccm。
11.在上述技术方案中，在步骤（6）中，腔室内压强为0.7 pa。
12.在上述技术方案中，在步骤（6）中，射频电源功率为30-200 w。
13.本发明的有益效果在于：本发明非晶碳薄膜采用射频磁控溅射的方法制备，采用气体源 固体源的方法，成膜速度快，薄膜的平整度高。具体为采用正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体，采用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，沉积在透明玻璃衬底表面。制备出来的非晶碳薄膜的厚度为200-1000 nm，带隙宽度可在1.4-2.0 ev范围内调节，可作为光伏电池吸收层材料应用。
附图说明
14.图1为本发明实施例制备的非晶硅薄膜带隙宽度与磁控溅射功率之间的关系图；图2为本发明实施例制备的非晶硅薄膜沉积速率与磁控溅射功率之间的关系图；图3为本发明实施例制备的非晶硅薄膜在不同溅射功率条件下的载流子浓度与电阻率；图4为本发明实施例制备的非晶硅薄膜在不同溅射功率条件下原子力显微镜测试的表面形貌图。
具体实施方式
15.为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明做进一步描述。本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。
16.实施例1在磁控溅射设备上，以透明玻璃为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，衬底与靶材之间的距离为75mm；对衬底进行预加热，预加热温度为200 ℃；溅射系统腔室抽真空，真空度为10-5 pa量级；通入氩气至腔室内作为等离子体的反应气体，氩气的流量为1.7 sccm；通入正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体，正丁烷通入腔室的流量为9 sccm；开启射频电源，调节腔室内压强为0.7 pa，调节射频电源的功率为30 w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，得到非晶碳薄膜。
17.实施例2在磁控溅射设备上，以透明玻璃为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，衬底与靶材之间的距离为75mm；对衬底进行预加热，预加热温度为200 ℃；溅射系统腔室抽真空，真空度为10-5 pa量级；通入氩气至腔室内作为等离子体的反应气体，氩气的流量为1.7 sccm；通入正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体，正丁烷通入腔室的流量为9sccm；开启射频电源，调节腔室内压强为0.7 pa，调节射频电源的功率为75w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，得到非晶碳薄膜。
18.实施例3在磁控溅射设备上，以透明玻璃为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，衬底与靶材之间的距离为75mm；对衬底进行预加热，预加热温度为200 ℃；溅射系统腔室抽真空，真空度为10-5 pa量级；通入氩气至腔室内作为等离子体的反应气体，氩气的流量为1.7 sccm；通入正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体，正丁烷通入腔室的流量为
9sccm；开启射频电源，调节腔室内压强为0.7 pa，调节射频电源的功率为110 w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，得到非晶碳薄膜。
19.实施例4在磁控溅射设备上，以透明玻璃为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，衬底与靶材之间的距离为75mm；对衬底进行预加热，预加热温度为200 ℃；溅射系统腔室抽真空，真空度为10-5 pa量级；通入氩气至腔室内作为等离子体的反应气体，氩气的流量为1.7 sccm；通入正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体，正丁烷通入腔室的流量为9 sccm；开启射频电源，调节腔室内压强为0.7 pa，调节射频电源的功率为150 w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，得到非晶碳薄膜。
20.实施例5在磁控溅射设备上，以透明玻璃为衬底，使用纯度99.999%的石墨盘作为磁控溅射靶材，衬底与靶材之间的距离为75mm；对衬底进行预加热，预加热温度为200 ℃；溅射系统腔室抽真空，真空度为10-5 pa量级；通入氩气至腔室内作为等离子体的反应气体，氩气的流量为1.7 sccm；通入正丁烷作为磁控溅射过程中的反应源气体，正丁烷通入腔室的流量为9sccm；开启射频电源，调节腔室内压强为0.7 pa，调节射频电源的功率为200 w，实现辉光放电，进行非晶碳薄膜沉积，得到非晶碳薄膜。
21.如图1-4所示，图1为本发明实施例1-5制备的非晶硅薄膜带隙宽度与磁控溅射功率之间的关系图；图2为本发明实施例1-5制备的非晶硅薄膜沉积速率与磁控溅射功率之间的关系图；图3为本发明实施例1-5制备的非晶硅薄膜在不同溅射功率条件下的载流子浓度与电阻率；图4为本发明实施例1-5制备的非晶硅薄膜在不同溅射功率条件下原子力显微镜测试的表面形貌图。经研究发现：采用本发明气体源 固体源的方法以及本发明的实验条件，调节射频电源的功率为30-200 w，可实现非晶碳薄膜的带隙宽度1.4-2.0 ev，此带隙宽度的非晶碳薄膜可作为光伏电池吸收层材料应用，并且成膜速度快，薄膜的平整度高。
22.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。