CN101481817B - 一种非极性ZnO晶体薄膜的生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法，采用的是脉冲激光沉积，首先称量ZnO、MnO2、Na2CO3粉末，经球磨、压制、烧结，制得Mn-Na共掺的陶瓷靶；然后用脉冲激光沉积法在衬底上生长非极性ZnO晶体薄膜。本发明方法工艺成熟，操作简单，成本低廉，易于实现；生长的薄膜具有a轴择优取向；同时具有室温铁磁性，是一种稀磁半导体材料。可用于LED和磁存储器件中。
Description
技术领域
本发明涉及一种非极性ZnO薄膜的生长方法。
背景技术
氧化锌(ZnO)是一种新型的直接带隙宽禁带半导体材料，是新一代高效、节能白光照明产业的重要基础材料，已成为国际研究的热点。ZnO室温下禁带宽度为3.37eV，激子束缚能高达60meV，可以实现室温或高温下高校的激子复合发光，与电子-空穴对复合发光相比，发光强度更高，激发阈值更低，是一种完全可以和GaN相媲美而且可能替代GaN的光电功能材料。但到目前为止，已报道的ZnO基发光二极管(LED)的发光效率都很低，亮度也很弱。要使ZnO发光器件走向实用化，必须优化LED结构设计。利用多量子阱结构制备的ZnOLED具有更高的发光效率和强度，但是由于ZnO通常是c轴(极性)择优取向，产生一个自建电场，这会很大程度上削弱了量子阱的约束效应，使器件性能达不到应有的水平。因此，实现非极性择优生长的ZnO薄膜是一个十分重要的课题，对于提高ZnO LED器件性能，对于ZnO LED真正走向产业化，意义重大。目前，非极性ZnO晶体薄膜大多生长在非常昂贵的LiAlO2衬底上，并且条件也很苛刻，如果能找到一种制备简单、成本低廉的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法，具有重大的理论和实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、成本低廉的生长非极性ZnO晶体薄膜的方法。
本发明的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法，采用的是脉冲激光沉积技术，包括以下步骤：
1)称量ZnO、MnO2、Na2CO3粉末，其中Mn的摩尔百分含量为3-8％，Na的摩尔百分含量为0.2-1％，将上述粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得Mn-Na共掺的陶瓷靶。
2)将步骤1)制得的靶材和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，保持靶材与衬底之间的距离为4～6cm，生长室本底真空度抽至小于10-3Pa，衬底加热升温到350-400℃，生长室通入O2气体，控制压强为45-100Pa，开启激光器，频率为5Hz，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，沉积在衬底上，得到Mn-Na共掺的非极性ZnO薄膜，将薄膜在50Pa氧气气氛下冷却至室温。
上述衬底是石英或玻璃。生长的时间由所需的薄膜厚度决定。
本发明的优点：
1)非极性ZnO薄膜可以在价格低廉的石英或玻璃衬底上生长；
2)采用激光脉冲沉积技术生长，工艺成熟，操作简单，易于实现；
3)本发明方法生长的薄膜具有a轴择优取向；
4)本发明方法生长的非极性ZnO薄膜同时具有室温铁磁性，是一种稀磁半导体材料；
5)本发明方法生长的非极性ZnO薄膜可以同时应用在LED和磁存储器件中。
附图说明
图1是根据本发明方法采用的脉冲激光沉积装置示意图。图中1为激光器；2为生长室；3为靶材；4为衬底。
图2是本发明方法生长的非极性ZnO晶体薄膜的X射线衍射图；
图3是本发明的非极性ZnO晶体薄膜的SEM照片；
具体实施方式
以下结合具体实例进一步说明本发明。
实施例1
1)陶瓷靶的制备。称量纯度为99.99％的ZnO、MnO2、Na2CO3粉末，其中Mn的摩尔百分含量为5％，Na的摩尔百分含量为0.2％，将称好的ZnO、MnO2、Na2CO3粉末倒入装有玛瑙球的球磨罐中，在球磨机上球磨24小时，将ZnO、MnO2、Na2CO3粉末混合均匀并细化。然后将原料分离出来并烘干，添加粘结剂研磨，压制成型。把成型的胚体放入烧结炉中，先在800℃保温2小时，使粘结剂挥发，再升温至1250℃烧结2小时，得到掺Mn-Na共掺的Zn(Mn，Na)O陶瓷靶。
2)以2英寸石英抛光片作为衬底，将衬底表面清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室真空度抽至8.0×10-4Pa，然后加热衬底，使衬底温度升至350℃，输入氧气，氧压调至45Pa，衬底与靶材间距4.5cm。开启激光器(脉冲激光能量为340mJ，频率5Hz)，预沉积5min，除去靶材表面的玷污，然后旋开挡板，沉积薄膜。沉积过程中衬底和靶材低速旋转，以改善薄膜的均匀性，沉积时间为30min。在此条件下沉积一层约500nm的Mn-Na共掺ZnO薄膜，在50Pa氧压下降温，直到冷却至室温。本例制得的非极性ZnO晶体薄膜的X射线衍射如图2所示，SEM照片如图3所示。
由图2可见，本发明方法生长的非极性ZnO晶体薄膜具有a轴择优取向，为典型的非极性生长模式。
由图3可见，非极性ZnO薄膜晶粒平行于衬底表面排列，尺寸均一，形貌一致，致密而规则。
本发明方法生长的非极性ZnO薄膜经SQUID测试，结果表明薄膜具有室温铁磁性。
实施例2
靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1，区别在于：Mn的摩尔百分含量为3％，Na的摩尔百分含量为1％，衬底温度为400℃，同样获得a轴择优取向非极性生长的ZnO晶体薄膜。经SQUID测试薄膜也具有室温铁磁性。
实施例3
靶材制备和薄膜沉积过程同实施例1，区别在于：Mn的摩尔百分含量为8％，Na的摩尔百分含量为0.5％，生长气压为100Pa，同样获得a轴择优取向非极性生长的ZnO晶体薄膜。经SQUID测试薄膜也具有室温铁磁性。
Claims (2)
1.非极性ZnO晶体薄膜的生长方法，包括以下步骤：
1)称量ZnO、MnO2、Na2CO3粉末，其中Mn的摩尔百分含量为3-8％，Na的摩尔百分含量为0.2-1％，将上述粉末球磨混合均匀、压制成型，然后在1000～1300℃温度下烧结，制得Mn-Na共掺的陶瓷靶；
2)将步骤1)制得的靶材和清洗过的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，保持靶材与衬底之间的距离为4～6cm，生长室本底真空度抽至小于10-3Pa，衬底加热升温到350-400℃，生长室通入O2气体，控制压强为45-100Pa，开启激光器，频率为5Hz，让激光束聚焦到靶面烧蚀靶材，沉积在衬底上，得到Mn-Na共掺的非极性ZnO薄膜，将薄膜在50Pa氧气气氛下冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的非极性ZnO晶体薄膜的生长方法，其特征在于衬底为石英或玻璃。
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