CN101320757B - 禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜及其制备方法 - Google Patents

禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜，是由MgxZn1-xO构成的具有若干层的薄膜，其中x＝0～0.25。本发明还提供了上述薄膜的制备方法，包括以下步骤：制备前驱液；制备MgxZn1-xO薄膜；制备禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜。本发明提供的禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜Mg组分沿垂直衬底方向梯度变化，充分保证了不同薄膜层之间的晶格匹配，有利于提高以ZnO为基础的光电器件的性能；能够增加高Mg含量的稳定性，具有广阔的应用前景。

Description

禁带宽度梯度化Mg<sub>x</sub>Zn<sub>1-x</sub>O光电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种MgxZn1-xO薄膜及其制备方法，具体地说是一种禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜及其制备方法，属于光电子功能器件领域。
背景技术
镁(Mg)掺杂的氧化锌(ZnO)MgxZn1-xO是一种新型的宽禁带半导体材料，是由ZnO和MgO组成的混合半导体，其禁带宽度可以通过调节不同的Mg含量从而实现禁带宽度在3.37～7.8eV之间连续可调，具有良好的光电特性，在深紫外尤其是太能光盲区(波长＝220～280nm)探测方面具有极大的应用前景。但是，由于ZnO和MgO分别为六方和立方结构以及晶格常数的不一致，当Mg含量较高时，MgxZn1-xO薄膜中易出现立方相和六方相的分相或偏析，这不利于MgxZn1-xO器件性能的提升。另外，对半导体器件而言，通常采用量子阱或异质结结构，这种结构要求异质结之间晶格完全匹配，而采用普通的异质结结构难以实现。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜。
本发明的另一目的是提供上述薄膜的制备方法。
本发明提供的MgxZn1-xO光电功能薄膜，是由MgxZn1-xO构成的具有若干层的薄膜，其中x＝0～0.25。
本发明提供的上述薄膜的制备方法包括以下步骤：
(1)将二乙醇胺同溶剂充分混合，再加入醋酸锌和醋酸镁混匀，在100～130℃加热后冷却到室温，得到ZnO和MgxZn1-xO溶液，调节浓度，得到前驱液；
(2)前驱液在衬底上制备薄膜，调整甩胶参数和甩胶时间，甩膜后的湿膜在热平板上预处理，重复甩胶、预处理、甩胶，得到MgxZn1-xO薄膜；
(3)MgxZn1-xO薄膜干燥后在500～850℃下退火，冷却到室温，制得禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜。
步骤(1)中二乙醇胺同总金属离子的摩尔比为0.6～0.9∶1。
所述的二乙醇胺是稳定剂。
所述的溶剂是乙二醇甲醚。
所述的衬底是硅、石英或蓝宝石衬底。
所述在衬底上制备薄膜可以用旋涂法制备。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提供的薄膜中，Mg组分沿垂直衬底方向梯度变化，导致ZnO的晶格常数梯度变化，充分保证了不同薄膜层之间的晶格匹配，有利于提高以ZnO为基础的光电器件的性能；
(2)本发明所述的技术方案中由于Mg掺入ZnO，使ZnO禁带宽度展宽，薄膜禁带宽度在维持MgxZn1-xO六方相结构的x范围内，同Mg组分具有一定线性关系。因此Mg组分的梯度变化也使得薄膜的禁带宽度呈梯度变化；
(3)本发明提供的薄膜具有梯度结构，这种梯度结构的薄膜由于成分的梯度变化，能够增加高Mg含量的稳定性。
(4)本发明所述的薄膜制备方法不仅保持了溶胶-凝胶法操作简单、低成本、易控制化学组成等特点，而且制备得到的薄膜无裂纹、致密性好、晶粒分布均匀。
附图说明
图1为硅基底上x＝0.25和上梯度薄膜(0.25/0.20/0.15)在650℃处理1h的物相结构图。可以看出通过上梯度薄膜的构筑，在x＝0.25时出现的立方相MgO(200)在上梯度薄膜(0.25/0.20/0.15)中并未出现，同时从插图中可以看出，梯度膜中的应力比x＝0.25时的要小。
图2为硅基底上x＝0.20和上梯度薄膜(0.20/0.10/0)在750℃处理1h的光致发射图谱。上梯度薄膜(0.20/0.10/0)的紫外峰强度介于x＝0.20和x＝0的薄膜之间，半高宽比两者均小，紫外峰强度比ZnO薄膜强，而缺陷峰的强度比x＝0.2薄膜的要弱。
具体实施方式
下面通过具体的溶液配置过程和梯度结构薄膜实施方式来进一步描述本发明的技术方案。
实施例1
(1)将二乙醇胺0.8417g同50ml乙二醇甲醚充分混合，按表1加入所需二水醋酸锌和四水醋酸镁，混匀，加热至120℃保持10min，冷却至80℃，恒温2h，冷却到室温得到ZnO和MgxZn1-xO溶液，调节浓度至0.5mol/L，最后得到溶液体积为20ml的前驱液；
表1MgxZn1-xO中X与所用醋酸锌、醋酸镁量的重量关系
  X  二水醋酸锌用量(g)  四水醋酸镁用量(g)
  0   2.2061   0
  0.05   2.0957   0.1078
  0.1   1.9854   0.2155
  0.15   1.8751   0.3233
  0.2   1.7648   0.4311
  0.25   1.6545   0.5388
(2)将前驱液在洁净的硅衬底上用旋涂法制备薄膜，制备间距x＝0.1上梯度薄膜，层数为六。第一、第二层为ZnO，第三、第四层为MgxZn1-xO(x＝0.1)，第五、第六层为MgxZn1-xO(x＝0.2)。甩胶参数为2500转/分钟，时间为20秒，每层预处理温度为350℃，时间为5分钟。重复甩胶-预处理-再甩胶过程，得到MgxZn1-xO薄膜。
(3)第一、二、三层薄膜进行一次热处理，热处理温度为650℃，升温速率为5℃/分钟，恒温1小时。第四、五、六层薄膜在同样的条件下进行热处理。这样能够获得厚度约300nm，结晶完善，致密的禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜。
实施例2
(1)同实施例1。
(2)将前驱液在洁净的石英衬底上用旋涂法制备间距x＝0.1下梯度薄膜，层数为六。第一、第二层为MgxZn1-xO(x＝0.2)，第三、第四层为MgxZn1-xO(x＝0.1)，第五、第六层为ZnO。各条件同实施例1。
实施例3
(1)同实施例1。
(2)将前驱液在洁净的蓝宝石衬底上用旋涂法制备间距x＝0.05上梯度薄膜，层数为八。第一、第二、第三层为MgxZn1-xO(x＝0.15)，第四、第五、第六层为MgxZn1-xO(x＝0.2)，第五、第六层为MgxZn1-xO(x＝0.25)。甩胶参数为2500转/分钟，时间为20秒，每层预处理温度为350℃，时间为5分钟。重复甩胶、预处理、再甩胶过程。
(3)进行三次热处理，第一、二薄膜进行一次热处理，第三、四、五进行一次，第六、七、八进行一次，热处理条件同实施例1。获得厚度约400nm，高致密性的禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜。
实施例4
(1)同实施例1。
(2)将前驱液在洁净的硅基衬底上用旋涂法制备间距x＝0.05上梯度薄膜，层数为八。第一、第二、第三层为MgxZn1-xO(x＝0.25)，第四、第五、第六层为MgxZn1-xO(x＝0.2)，第五、第六层为MgxZn1-xO(x＝0.15)。其他条件同实施例3。

Claims (6)

1.一种禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜，其特征在于所述薄膜是由MgxZn1-xO构成的具有若干层的薄膜，x＝0～0.25；所述Mg组分沿垂直衬底方向梯度变化。
2.一种权利要求1所述禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将二乙醇胺同溶剂充分混合，再加入不同配比的醋酸锌和醋酸镁混匀，100～130℃加热后冷却到室温，成为X值不同的多个的MgxZn1-xO溶液，调节浓度，得到相应的多个前驱液；
(2)通过步骤(1)中得到的多个前驱液在衬底上制备薄膜，调整甩胶参数和甩胶时间，甩胶后的湿膜在热平板上预处理，重复甩胶、预处理、甩胶，得到MgxZn1-xO薄膜；所述的预处理处理温度为350℃，时间为5分钟；
(3)MgxZn1-xO薄膜干燥后在500～850℃下退火，冷却到室温，制得禁带宽度梯度化MgxZn1-xO光电薄膜。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的溶剂是乙二醇甲醚。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中二乙醇胺同总金属离子的摩尔比为0.6～0.9∶1。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的衬底是硅、石英或蓝宝石衬底。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述在衬底上制备薄膜是采用旋涂法制备。
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