常 璐，王朋偉，劉競艷，苗 壯，田弋緯

(西安漢唐分析檢測有限公司，西安 710016)

AlSb是具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，其光學(xué)間接帶隙寬度在300 K下是1.62 eV[1-4]，且與太陽輻射中的可見光光譜匹配，并且具有很高的光吸收系數(shù)，因此很適合作為太陽電池的吸收層材料，尤其是太陽電池，AlSb薄膜太陽電池的理論轉(zhuǎn)換效率可高達27%[5-7]．此外，AlSb很有希望應(yīng)用于高溫下使用的晶體管、p-n結(jié)二極管以及高能光子探測器[8,9]．然而因為AlSb薄膜在空氣中極易潮解的問題嚴重限制其應(yīng)用．

研究人員采用熱比外延法[10]、雙源共蒸發(fā)法[11]、磁控濺射及共濺射[12-13]等方法制備AlSb薄膜，其中采用高襯底溫度的共濺射方法可以獲得高質(zhì)量的AlSb薄膜[14]．然而在AlSb潮解和氧化機制方面的研究則相對比較少．本文使用共濺射的方法制備AlSb薄膜，研究其潮解和氧化機制，以此為基礎(chǔ)尋找可能的抑制其潮解和氧化的方法．

1 實驗方法

以鋁(99.999%)和銻(99.999%)為原料，在1 Pa純氬氣氛、400 ℃的襯底溫度下，使用共濺射的方法制備了薄膜，然后在氬氣氣氛下進行退火處理獲得了AlSb薄膜，進而研究其在空氣中潮解機制．

使用布魯克公司D8 ADVANCEX射線衍射儀(XRD)(銅靶40 V 40 mA)測試薄膜的晶相結(jié)構(gòu)；使用賽默飛世爾公司ESCALAB 250Xi X射線光電子能譜-俄歇電子能譜(XPS -AES)聯(lián)用儀(電壓5 kV,電流10 mA)分析薄膜組分；使用日本電子JSM-6700F冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)(常規(guī)模式)觀察樣品表面形貌．

2 結(jié)果與分析

圖1 是使用共濺射制備的AlSb薄膜的XRD圖．從圖中可以看出只有單一的AlSb相，為面心立方結(jié)構(gòu)，且明顯沿著(111)方向擇優(yōu)取向．通過Debye-Scherrer公式可以計算出晶粒尺寸約為50 nm．圖2 是AlSb薄膜表面形貌圖，從圖中可以看出顆粒大小約50～100 nm，這也與XRD測試結(jié)果相一致．

圖1 新制備的AlSb薄膜的XRD圖

圖2 新制備的AlSb薄膜形貌

圖3是共濺射制備的AlSb薄膜的AES全譜圖．從圖中發(fā)現(xiàn)，薄膜中含有Al、Sb、C、O元素．其中C元素污染主要來源于沉積過程中真空室內(nèi)的殘余氣體；碳元素污染除了源于沉積過程中真空室內(nèi)的殘余氣體，還源于AlSb薄膜與大氣接觸時的空氣中的碳元素. 圖4是共濺射制備的AlSb薄膜中Al元素和Sb元素的AES單譜圖．Al單質(zhì)的動能為68 eV，Sb單質(zhì)的動能為454 eV和462 eV，結(jié)合AlSb薄膜中各元素的全譜圖(圖3),可以看出Al元素隨著剝離深度的增加，其動能向左偏移，說明Al元素呈電正性，為正價離子；Sb元素隨著玻璃深度的增加，其動能向右偏移，說明Sb元素呈電負性，為負價離子．因此，采用此方法制備的薄膜已經(jīng)形成AlSb．

圖3 AlSb薄膜的AES全譜圖

圖4 AlSb薄膜中Al、Sb元素的AES單譜圖

實驗中發(fā)現(xiàn)，如果將AlSb薄膜放置在干燥柜中，會抑制其潮解和氧化的現(xiàn)象，因此我們認為AlSb在空氣中的潮解與空氣中的水汽密切相關(guān)．為了進一步驗證觀察到的現(xiàn)象，比較暴露(圖5)和剛制備(圖2)的薄膜SEM圖，暴露空氣后多了許多空洞或者深坑．雖然暴露空氣后樣品表面沒有明顯變化，但微觀上已經(jīng)開始出現(xiàn)潮解和氧化現(xiàn)象．

圖5 暴露空氣后AlSb薄膜形貌

圖6是新制備的AlSb薄膜和暴露空氣后薄膜的(111)峰的對比，很明顯暴露空氣后該峰已經(jīng)消失．采用AES測試樣品元素在薄膜中隨刻蝕時間(深度)的分布(圖7)．從圖7中可以看出在樣品表面氧元素的含量高達40%．鋁元素在薄膜表面含量高于薄膜內(nèi)部，而銻元素含量分布則剛好和鋁元素相反．在薄膜內(nèi)部含量接近表面的兩倍．因此這可以進一步證明AlSb在空氣中潮解是發(fā)生如下反應(yīng)[15]：

圖6 暴露空氣前后的AlSb薄膜的(111)峰變化

圖7 AlSb 薄膜暴露空氣后原子含量隨刻蝕時間的分布

(1)

(2)

(3)

(4)

這也是在薄膜表面發(fā)生銻元素缺失．AlSb薄膜水解和氧化從薄膜表面開始，潮解產(chǎn)生的SbH3常溫下為氣體，因此在樣品表面銻元素流失嚴重．反應(yīng)(2)～(4)的存在是銻元素并未完全從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護層以隔絕AlSb直接與空氣中水汽接觸．

3 結(jié)論

觀察潮解前后AlSb薄膜的微觀形貌和微結(jié)構(gòu)，證實AlSb在空氣中潮解是AlSb和空氣中水汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終生成了Al(OH)3、Al2O3以及氣態(tài)SbH3等．因此，只要能夠有效隔絕AlSb與水的接觸就可以抑制甚至徹底解決AlSb薄膜潮解問題．