CN106505046B - 一种以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以绝缘基片为衬底的碳‑铝‑碳半导体薄膜材料及其制备方法，其为层状结构，由下至上依次为用作衬底的绝缘基片、第一层碳薄膜层、铝中间插层和第二层碳薄膜层；制备方法主要采用直流磁控溅射技术、利用高能电子顺次轰击不同靶材表面：先石墨靶材，在衬底表面上沉积第一层碳薄膜层，后铝金属靶材沉积铝中间插层，最后再石墨靶材沉积第二层碳薄膜层。本发明与纯碳薄膜产品相比，其电子浓度和电子迁移率分别至少提高了6个数量级和1个数量级，电阻率至少降低了4个数量级。本发明的工艺简单、参数控制简便；成品率高、产品质量稳定性与可靠性好，且制造成本低、适于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体薄膜材料及其制备方法，尤其涉及一种以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料及其制备方法。
背景技术
碳薄膜同时具有sp2和sp3杂化，这种杂化结构特征导致碳薄膜内部很难形成自由移动的电子或空穴载流子，载流子的输运更是受到严重阻碍。表现出的特征之一是，碳薄膜材料的电阻率非常大。因此，需要进行材料改性，以提高碳薄膜材料中的载流子数目和载流子迁移率，减小碳薄膜材料的电阻率，从而提高碳薄膜材料的导电性，才能适于半导体及器件领域的应用需要。
现有技术中，一般使用元素掺杂的办法进行碳薄膜材料改性以提高其导电性能。例如：
中国专利申请CN101840941A公开了一种具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料及其制备方法，该方法将碳和铁金属元素混合，并利用脉冲激光沉积发形成铁碳复合薄膜材料，这种铁碳复合材料表现出了良好的光伏和光电导性质。但是，其碳膜的导电性较差，近乎绝缘材料。
中国专利申请CN102102172A公开了一种具有白光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法，该方法在碳薄膜材料中引入钴元素，形成钴碳复合薄膜材料，获得良好的光伏性能。但是，其钴掺杂碳膜的导电性能也不理想。
并且，我们认为，通过对碳薄膜进行掺杂以进行材料改性的方法，一般均会在材料内部形成新的化学键。但是，由于原子半径、得失电子能力、掺杂粒子分布的均匀性等方面的差异，掺杂处理后，将在碳薄膜中形成大量缺陷，从而会导致材料结构和性能的不稳定性。
更为重要的是，对于半导体器件技术领域而言，这类掺杂改性后的碳薄膜材料，其电阻率仍然偏高、导电性能尚不理想。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种具有优良导电性能的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料。
本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是，如何有效降低碳薄膜材料的电阻率的技术问题。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料，其特征在于，为复合层结构，由下至上依次包括用作衬底的绝缘基片、第一层碳薄膜层、铝中间插层和第二层碳薄膜层；其中：
所述碳薄膜层，其纯度为99.999％；
所述铝中间插层，其纯度为99.99％；
所述第一层碳薄膜层、铝中间插层和第二层碳薄膜层的厚度分别为20-80nm、8nm和20-80nm；
所述绝缘基片为玻璃基片、陶瓷基片、石英基片、绝缘Si基片或蓝宝石基片。上述技术方案直接带来的技术效果是，通过在第一层碳膜层和第二层碳膜层之间***一层薄铝金属层，大幅降低了碳膜材料的电阻率值，显著提高了碳膜材料的导电性能，并且所形成的碳-铝-碳夹层结构薄膜的结构稳定、性能可重复性强，且成本低廉。
检测结果表明，采用上述技术方案所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料，其电子浓度、电子迁移率分别可达1.4×1023cm-3和11cm2V-1s-1；与单一的纯碳薄膜材料(纯碳薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为8.5×1016cm-3、0.9cm2V-1s-1)比较，分别提高了至少6个数量级和1个数量级。
特别是，采用上述技术方案所制得的碳薄膜材料，电阻率值达到2.7×10-3Ωcm，比单一碳薄膜材料的电阻率值(5.1×102Ωcm)至少低4个数量级。
概括而言，本发明通过将单一的碳薄膜层改变为“夹心层”结构形式：采用在上下两层碳膜层之间***一层铝金属层，这一简单的技术手段，巧妙地利用所***的铝金属薄层中的自由电子对对上下两层碳膜层的电子注入效应，提高薄膜材料中的电子载流子浓度和电子迁移率，达到显著降低碳薄膜材料的电阻率值、提高碳薄膜材料的导电性能的目的。
为更好地理解上述技术方案，现从原理上进行详细说明：
1、铝中间插层对两侧碳薄膜材料性能达到的技术效果有三个方面：(1)铝中间插层所含的大量自由电子通过注入效应分别进入第一层碳膜层和第二层碳膜层，分别提高了两层碳薄膜层中的电子载流子浓度和电子迁移率；(2)通过提高上下两层碳膜材料中的电子浓度和电子迁移率，显著降低了整个碳-铝-碳夹层结构薄膜材料的电阻率，大幅增强了这类薄膜材料的导电性能；(3)铝中间插层的连续性特征，对上下两层碳膜层具有很好的连接作用，有效增强了薄膜结构的稳定性，减少了薄膜内部缺陷数量，从而使薄膜材料性能的稳定性和可重复性得到提高。
2、上述技术方案中，铝金属的电子功函数为4.3eV，小于碳材料的功函数值4.8eV，从而保证了电子能够由铝中间插层注入进入两侧的碳膜层；
3、上述技术方案中，铝插层位于两层碳薄膜材料之间，利于电子通过注入效应分别进入上下两层碳膜层中，提高整个薄膜材料内部载流子分布的均匀性；
4、上述技术方案中，铝中间插层的厚度仅为8nm。一方面，保证了铝金属层的均匀连续性；另一方面，可有效避免碳-铝-碳夹层结构薄膜内部电子仅以铝金属层为输运通道，而不经过第一和第二碳薄膜层问题的出现。
实验证明，上述技术方案的碳/铝/碳夹层结构薄膜材料，具有电子载流子浓度高、电子迁移率大、电阻率值小、结构和性能稳定及成本低等优点。
优选为，所述第一层碳膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述绝缘基片表面之上的；
所述铝中间插层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述第一碳膜层之上的；
所述第二碳膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述铝中间插层之上的。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，制备方法简单、工艺过程易于控制，产品质量稳定性与一致性更好。
本发明的目的之二是，提供一种上述的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的制备方法，其制备工艺简单、过程易控、成品率高，且工艺环保，适于工业化生产。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种上述的碳-铝-碳夹层结构薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，绝缘基片衬底的清洗步骤
将绝缘基片依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；然后，取出、用干燥氮气吹干；
第二步，第一层碳膜层表面沉积步骤
将已清洗干净的绝缘基片片装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在氩气环境下，将绝缘基片的温度调至第一温度，氩气气压调至第一压力，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的Ar离子轰击石墨靶材，在所述绝缘基片的上表面上，沉积第一层碳膜层；
第三步，铝中间插层表面沉积步骤
将装有样品的托盘更换至铝金属靶材的正上方；
将绝缘基片的温度调至第二温度，氩气压调至第二压力，采用直流磁控溅射技术，在恒定的30W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击铝金属靶材，在上述第一层碳膜层的表面上，再沉积一层铝中间插层；
第四步，第二层碳膜层表面沉积步骤
将装有样品的托盘再更换至石墨靶材的正上方；
将绝缘基片的温度调至第三温度，氩气压调至第三压力，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击石墨靶材，在上述铝中间插层的表面上，再沉积第二层碳膜层，即得。
上述技术方案直接带来的技术效果是，制备工艺简单、成品率高，适于工业化生产，并且上述制备方法无有毒有害原料使用、无有毒有害废物产生或废气排放，整个工艺流程绿色环保、无污染；
上述技术方案所制得的产品质量均匀稳定、各薄膜层附着牢固、厚度均匀稳定且易于控制。
优选为，上述氩气的纯度在99.999％以上；
所述高纯氮气是指纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述石墨靶材的纯度为99.999％；
所述铝金属靶材的纯度为99.99％；
所述石墨靶材和铝金属靶材的靶基距均为50mm。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，该距离既能满足溅射离子在运动过程中与工作气体充分碰撞降低动能，又能保证离子在成膜过程中具有足够的附着力；
进一步优选，上述第一温度为25-300℃，所述第一压力为0.1-5Pa；
所述第二温度为25-30℃，所述第二压力为1-5Pa；
所述第三温度为25-300℃，所述第三压力为0.1-5Pa。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，既能使碳膜和铝插层的晶体质量提高，又能满足离子在成膜过程中具有足够的附着力，同时还能比较容易的控制成膜厚度。
综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明的碳-铝-碳夹层结构薄膜材料，具有十分显著的低电阻率(在室温条件下，电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为8.3×1022cm-3、8.5cm2V-1s-1和5.7×10-2Ωcm。与单一的纯碳薄膜材料比较，载流子浓度至少提高了6个数量级，电子迁移率至少提高了1个数量级，而电阻率值至少降低了5个数量级)。
2、本发明的碳/铝/碳夹层结构薄膜材料的制备方法，具有工艺简单、参数控制简便；且其成品率高、制造成本低、产品质量稳定性与可靠性好，适于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的结构示意图；
图2为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的拉曼光谱图；
图3为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的电子载流子浓度和迁移率值随碳膜层厚度变化的变化规律曲线；
图4为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的电阻率值随碳膜层厚度变化的变化规律曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明进行详细说明。
实施例1
制备方法如下：
第一步，玻璃基片表面清洗步骤
选取切割成10mm×10mm正方形玻璃基片；然后，将玻璃基片依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；
取出并用干燥氮气吹干；
第二步，第一层碳膜层表面沉积步骤
将清洗后的玻璃基片衬底装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在Ar惰性气体环境下，将玻璃基片的温度调至第一温度100℃，氩气气压调至第一压力3Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的Ar离子轰击石墨靶材，在所述玻璃基片的上表面上，沉积第一层20nm碳膜；
第三步，铝中间插层表面沉积步骤
将装有样品的托盘更换至铝金属靶材的正上方；
将玻璃基片的温度调至第二温度25℃，氩气压调至第二压力5Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的30W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击铝金属靶材，在上述第一层碳膜层的表面上，再沉积一层8nm铝中间插层；
第四步，第二层碳膜层表面沉积步骤
将装有样品的托盘再更换至石墨靶材的正上方；
将玻璃基片的温度调至第三温度100℃，氩气压调至第三压力3Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击石墨靶材，在上述铝中间插层的表面上，再沉积第二层20nm碳膜，即得。
产品性能检测结果：
经检测，在室温(20-25℃)条件下，所制得的碳-铝-碳夹层结构薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为1.4×1023cm-3、11cm2V-1s-1和2.7×10-3Ωcm。
说明：纯碳薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为8.5×1016cm-3、0.9cm2V-1s-1和5.1×102Ωcm。
实施例2
说明：该实施例为对比实施例，为纯碳薄膜材料，无中间铝插层。
制备方法如下：
第一步，陶瓷基板表面清洗步骤
选取切割成直径为10mm的圆形陶瓷基片；然后，将陶瓷基片依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；
取出并用干燥氮气吹干；
第二步，第一层碳膜层表面沉积步骤
将清洗后的陶瓷基板衬底装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在氩气环境下，将陶瓷基板的温度调至第一温度100℃，氩气气压调至第一压力3Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的Ar离子轰击石墨靶材，在所述陶瓷基板的上表面上，沉积第一层40nm碳膜；即得。
产品性能检测结果：
经检测，在室温(20-25℃)条件下，所制得的纯碳薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为8.5×1016cm-3、0.9cm2V-1s-1和5.1×102Ωcm。
实施例3
仅在第二步和第四步中，通过控制溅射时间，将第一和第二碳膜层厚度调整为30nm；其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在室温(20-25℃)条件下，所制得的碳/铝/碳夹层结构薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为5.5×1022cm-3、7.1cm2V-1s-1和8.9×10-3Ωcm。
实施例4
仅在第二步和第四步中，通过控制溅射时间，将第一和第二碳膜层厚度调整为40nm；其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在室温(20-25℃)条件下，所制得的碳/铝/碳夹层结构薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为9.3×1021cm-3、3.7cm2V-1s-1和1.3×10-2Ωcm。
实施例5
仅在第二步和第四步中，通过控制溅射时间，将第一和第二碳膜层厚度调整为50nm；其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在室温(20-25℃)条件下，所制得的碳-铝-碳夹层结构薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为1.2×1020cm-3、1.7cm2V-1s-1和0.89Ωcm。
实施例6
仅在第二步和第四步中，通过控制溅射时间，将第一和第二碳膜层厚度调整为80nm；其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在室温(20-25℃)条件下，所制得的碳/铝/碳夹层结构薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为3.7×1018cm-3、1.1cm2V-1s-1和17Ωcm。
为更好地理解本发明的技术特点，下面结合附图，对本发明所制得的产品的性能检测方法和检测结果进行详细说明。
图1为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的结构示意图。
如图1所示，本发明的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料，其为层状结构，由下至上依次包括玻璃基片、第一层碳薄膜层、铝中间插层和第二层碳薄膜层。
图2为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的拉曼光谱分析图。
如图所示，1340cm-1和1560cm-1分别为碳膜的D峰和G峰，分别代表碳薄膜中的类金刚相结构和无序石墨结构。
通过对比峰强可以看出，本发明所制得的碳膜中主要以无序石墨相为主。
图3为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的电子载流子浓度和迁移率值随碳膜层厚度变化的变化规律曲线。
从图3中可以看出，随着碳膜层厚度的增加，碳-铝-碳夹层结构半导体薄膜材料的电子载流子浓度和迁移率值逐渐降低。
可见，随着碳膜层厚度的增加，铝中间插层注入到碳膜中的电子对整个碳/铝/碳夹层结构薄膜材料的影响减弱，从而导致整个薄膜的载流子浓度和电子迁移率发生明显降低。
图4为实施例1所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的电阻率值随碳膜层厚度变化的变化规律曲线。
从图4中可以看出，随着第一和第二碳膜层厚度的减小，碳/铝/碳夹层结构薄膜材料的电阻率值逐渐减小，表明其导电性能逐渐增强。
在室温(20-25℃)条件下，当碳膜层厚度为20nm时，所制得的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为1.4×1023cm-3、11cm2V-1s-1和2.7×10-3Ωcm。
与之对比，在无铝中间插层(对应于图中的厚度为0时)的纯碳膜材料的电子载流子浓度、电子迁移率和电阻率值分别为8.5×1016cm-3、0.9cm2V-1s-1和5.1×102Ωcm。
数据对比可以看出，载流子浓度至少提高了6个数量级，电子迁移率至少提高了1个数量级，而电阻率值至少降低了5个数量级，导电性能改善幅度巨大、效果十分显著。
补充说明：本发明的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料，其绝缘基片还可以是石英基片、绝缘Si基片或蓝宝石基片。
换言之，只要是不导电的绝缘材料即可。
当然，出于制造成本的考虑，以及基片的刚性、表面光洁度、切割成形操作便利等因素考虑。我们认为，优选为玻璃片和陶瓷片。
Claims (5)
1.一种以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料，其特征在于，为复合层结构，由下至上依次包括用作衬底的绝缘基片、第一层碳薄膜层、铝中间插层和第二层碳薄膜层；其中：
所述碳薄膜层，其纯度为99.999％；
所述铝中间插层，其纯度为99.99％；
所述第一层碳薄膜层、铝中间插层和第二层碳薄膜层的厚度分别为20-80nm、8nm和20-80nm；
所述绝缘基片为玻璃基片、陶瓷基片、石英基片、绝缘Si基片或蓝宝石基片。
2.根据权利要求1所述的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料，其特征在于，所述第一层碳膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述绝缘基片表面之上的；
所述铝中间插层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述第一层碳膜层之上的；
所述第二层碳膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述铝中间插层之上的。
3.一种如权利要求1所述的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，绝缘基片衬底的清洗步骤
将绝缘基片依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；然后，取出、用干燥氮气吹干；
第二步，第一层碳膜层表面沉积步骤
将已清洗干净的绝缘基片装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在氩气环境下，将绝缘基片的温度调至第一温度，氩气气压调至第一压力，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的Ar离子轰击石墨靶材，在所述绝缘基片的上表面上，沉积第一层碳膜层；
第三步，铝中间插层表面沉积步骤
将装有样品的托盘更换至铝金属靶材的正上方；
将绝缘基片的温度调至第二温度，氩气压调至第二压力，采用直流磁控溅射技术，在恒定的30W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击铝金属靶材，在上述第一层碳膜层的表面上，再沉积一层铝中间插层；
第四步，第二层碳膜层表面沉积步骤
将装有样品的托盘再更换至石墨靶材的正上方；
将绝缘基片的温度调至第三温度，氩气压调至第三压力，采用直流磁控溅射技术，在恒定的50W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击石墨靶材，在上述铝中间插层的表面上，再沉积第二层碳膜层，即得。
4.根据权利要求3所述的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述氩气的纯度在99.999％以上；
所述干燥氮气是指纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述石墨靶材的纯度为99.999％；
所述铝金属靶材的纯度为99.99％；
所述石墨靶材和铝金属靶材的靶基距均为50mm。
5.根据权利要求3所述的以绝缘基片为衬底的碳-铝-碳半导体薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述第一温度为25-300℃，所述第一压力为0.1-5Pa；
所述第二温度为25-30℃，所述第二压力为1-5Pa；
所述第三温度为25-300℃，所述第三压力为0.1-5Pa。
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