AlSb薄膜的潮解机制研究

常 璐，王朋伟，刘竞艳，苗 壮，田弋纬

(西安汉唐分析检测有限公司，西安 710016)

AlSb是具有闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其光学间接带隙宽度在300 K下是1.62 eV[1-4]，且与太阳辐射中的可见光光谱匹配，并且具有很高的光吸收系数，因此很适合作为太阳电池的吸收层材料，尤其是太阳电池，AlSb薄膜太阳电池的理论转换效率可高达27%[5-7]．此外，AlSb很有希望应用于高温下使用的晶体管、p-n结二极管以及高能光子探测器[8,9]．然而因为AlSb薄膜在空气中极易潮解的问题严重限制其应用．

研究人员采用热比外延法[10]、双源共蒸发法[11]、磁控溅射及共溅射[12-13]等方法制备AlSb薄膜，其中采用高衬底温度的共溅射方法可以获得高质量的AlSb薄膜[14]．然而在AlSb潮解和氧化机制方面的研究则相对比较少．本文使用共溅射的方法制备AlSb薄膜，研究其潮解和氧化机制，以此为基础寻找可能的抑制其潮解和氧化的方法．

1 实验方法

以铝(99.999%)和锑(99.999%)为原料，在1 Pa纯氩气氛、400 ℃的衬底温度下，使用共溅射的方法制备了薄膜，然后在氩气气氛下进行退火处理获得了AlSb薄膜，进而研究其在空气中潮解机制．

使用布鲁克公司D8 ADVANCEX射线衍射仪(XRD)(铜靶40 V 40 mA)测试薄膜的晶相结构；使用赛默飞世尔公司ESCALAB 250Xi X射线光电子能谱-俄歇电子能谱(XPS -AES)联用仪(电压5 kV,电流10 mA)分析薄膜组分；使用日本电子JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜(SEM)(常规模式)观察样品表面形貌．

2 结果与分析

图1 是使用共溅射制备的AlSb薄膜的XRD图．从图中可以看出只有单一的AlSb相，为面心立方结构，且明显沿着(111)方向择优取向．通过Debye-Scherrer公式可以计算出晶粒尺寸约为50 nm．图2 是AlSb薄膜表面形貌图，从图中可以看出颗粒大小约50～100 nm，这也与XRD测试结果相一致．

图1 新制备的AlSb薄膜的XRD图

图2 新制备的AlSb薄膜形貌

图3是共溅射制备的AlSb薄膜的AES全谱图．从图中发现，薄膜中含有Al、Sb、C、O元素．其中C元素污染主要来源于沉积过程中真空室内的残余气体；碳元素污染除了源于沉积过程中真空室内的残余气体，还源于AlSb薄膜与大气接触时的空气中的碳元素. 图4是共溅射制备的AlSb薄膜中Al元素和Sb元素的AES单谱图．Al单质的动能为68 eV，Sb单质的动能为454 eV和462 eV，结合AlSb薄膜中各元素的全谱图(图3),可以看出Al元素随着剥离深度的增加，其动能向左偏移，说明Al元素呈电正性，为正价离子；Sb元素随着玻璃深度的增加，其动能向右偏移，说明Sb元素呈电负性，为负价离子．因此，采用此方法制备的薄膜已经形成AlSb．

图3 AlSb薄膜的AES全谱图

图4 AlSb薄膜中Al、Sb元素的AES单谱图

实验中发现，如果将AlSb薄膜放置在干燥柜中，会抑制其潮解和氧化的现象，因此我们认为AlSb在空气中的潮解与空气中的水汽密切相关．为了进一步验证观察到的现象，比较暴露(图5)和刚制备(图2)的薄膜SEM图，暴露空气后多了许多空洞或者深坑．虽然暴露空气后样品表面没有明显变化，但微观上已经开始出现潮解和氧化现象．

图5 暴露空气后AlSb薄膜形貌

图6是新制备的AlSb薄膜和暴露空气后薄膜的(111)峰的对比，很明显暴露空气后该峰已经消失．采用AES测试样品元素在薄膜中随刻蚀时间(深度)的分布(图7)．从图7中可以看出在样品表面氧元素的含量高达40%．铝元素在薄膜表面含量高于薄膜内部，而锑元素含量分布则刚好和铝元素相反．在薄膜内部含量接近表面的两倍．因此这可以进一步证明AlSb在空气中潮解是发生如下反应[15]：

图6 暴露空气前后的AlSb薄膜的(111)峰变化

图7 AlSb 薄膜暴露空气后原子含量随刻蚀时间的分布

(1)

(2)

(3)

(4)

这也是在薄膜表面发生锑元素缺失．AlSb薄膜水解和氧化从薄膜表面开始，潮解产生的SbH3常温下为气体，因此在样品表面锑元素流失严重．反应(2)～(4)的存在是锑元素并未完全从薄膜表面消失的原因．因此要抑制AlSb薄膜的潮解，需要在薄膜表面增加保护层以隔绝AlSb直接与空气中水汽接触．

3 结论

观察潮解前后AlSb薄膜的微观形貌和微结构，证实AlSb在空气中潮解是AlSb和空气中水汽发生化学反应，最终生成了Al(OH)3、Al2O3以及气态SbH3等．因此，只要能够有效隔绝AlSb与水的接触就可以抑制甚至彻底解决AlSb薄膜潮解问题．