CN103320760A

CN103320760A - MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法

Info

Publication number: CN103320760A
Application number: CN2013102935593A
Authority: CN
Inventors: 蒋大勇; 赵曼; 秦杰明; 梁庆成; 赵建勋; 高尚; 侯建华
Original assignee: Changchun University of Science and Technology
Current assignee: Changchun University of Science and Technology
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2033-07-12
Also published as: CN103320760B

Abstract

MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法属于半导体光电技术领域。现有技术在Mg_xZn_1–xO薄膜晶体的生长过程中出现Zn原子流失。本发明在射频磁控溅射仪的真空室中进行，将由Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材制作的圆片状溅射靶放置在真空室内的溅射靶台上；衬底与溅射靶相对并位于溅射靶上方，真空室抽真空后通入溅射气体；衬底升温，提供溅射功率；其特征在于，在所述溅射靶台上增设一个Zn环靶，Zn环靶的内径等于所述溅射靶的外径，由溅射靶和Zn环靶构成叠靶。在Zn环靶上方形成上升的圆筒状Zn原子流，在一定程度上防止Mg、Zn、O原子流中的Zn流失，也对Mg、Zn、O原子流中的Zn流失进行Zn补充，Mg_xZn_1–xO薄膜晶体中的Zn空位得到填补。

Description

MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法

技术领域

本发明涉及一种MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法，属于半导体光电技术领域。

背景技术

由于Zn²⁺、Mg²⁺的离子半径非常接近，因此，Mg²⁺和Zn²⁺在各自氧化物晶格中互相替换形成MgZnO替位式混晶引起的晶格畸变较小；MgZnO晶体具有3.3～7.8eV带隙调整范围。这些特点使得MgZnO薄膜成为一种制作紫外光电探测器的理想材料。而紫外光电探测器在火灾预警方面发挥独特作用，这是因为与红外光电探测器相比，干扰源少，如果紫外光电探测器的截止边接近280nm日盲波段甚至小于该波段，将会摆脱日光干扰。

现有制备MgZnO薄膜的方法其制备过程在射频磁控溅射仪的真空室中进行。靶材采用Mg_xZn_1–xO陶瓷，0≤x≤0.3，由纯度均为99.99%的ZnO粉末和MgO粉末经混合、研磨、锻压、烧结而成。将由Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材制作的圆片状溅射靶1放置在真空室内的溅射靶台上。蓝宝石材质的平板状衬底2与溅射靶1相对并位于溅射靶1上方，如图1所示，衬底2与溅射靶1的间距为5cm。由机械泵和分子泵将真空室两级抽真空至2×10^-3Pa。通入真空室内的纯度均为99.999%、压强均为1Pa的氩气、氧气，该两种气体在真空室内混合为溅射气体。射频电源频率为13.56MHz。衬底1温度为80℃。溅射功率为200w，溅射时间为30min。溅射靶材形成上升的Mg、Zn、O原子流，在衬底2上沉积生长MgZnO薄膜晶体。调整x的值，对应制作一种Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材，对应制备一种Mg_xZn_1–xO薄膜晶体，该晶体具有一种带隙，采用该Mg_xZn_1–xO薄膜制作的紫外光电探测器具有特定的探测波长。

然而，由于在Mg_xZn_1–xO薄膜晶体的生长过程中，Zn原子蒸汽压比Mg原子蒸汽压高，造成大量的Zn原子流失，如图1所示，极难控制Mg_xZn_1–xO薄膜晶体在亚稳态下的生长，在所制备的Mg_xZn_1–xO薄膜晶体中，Mg原子的浓度远远大于Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材中Mg原子的浓度，也就是偏离设计浓度，响应波长会明显偏离，采用该Mg_xZn_1–xO薄膜制作的紫外光电探测器的探测波长也就发生了改变。另一方面，在所制备的Mg_xZn_1–xO薄膜晶体中，因Zn原子的缺失致使Mg_xZn_1–xO薄膜晶体出现缺陷，引起晶格结构畸变，载流子大量散射，不仅严重降低载流子迁移率，而且因此复合掉部分光生载流子，降低了它作为一种光电功能材料的响应度，也就是响应波长的响应峰值降低，因此，采用该Mg_xZn_1–xO薄膜制作的紫外光电探测器的探测灵敏度降低。另外，由于晶格缺陷的出现，该Mg_xZn_1–xO薄膜晶体作为一种光电功能材料的响应截止能力减弱，也就是截止边波长远离响应波长，因此，采用该Mg_xZn_1–xO薄膜制作的紫外光电探测器的抗可见光干扰的能力，或者说区分紫外与可见的能力减弱。

发明内容

为了防止在Mg_xZn_1–xO薄膜晶体的生长过程中出现Zn原子流失，我们发明了一种MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法。

采用本发明之方法制备MgZnO薄膜在射频磁控溅射仪的真空室中进行，将由Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材制作的圆片状溅射靶1放置在真空室内的溅射靶台上；衬底2与溅射靶1相对并位于溅射靶1上方，真空室抽真空后通入溅射气体；衬底2升温，提供溅射功率；其特征在于，在所述溅射靶台上增设一个Zn环靶3，如图2、图3所示，Zn环靶3的内径等于所述溅射靶1的外径，由溅射靶1和Zn环靶3构成叠靶。

本发明其技术效果在于，在磁控溅射过程中，除了在圆片状溅射靶1上方形成上升的圆柱状Mg、Zn、O原子流外，还在Zn环靶3上方形成上升的圆筒状Zn原子流，所述Zn原子流包围所述Mg、Zn、O原子流，其结果一是在一定程度上防止Mg、Zn、O原子流中的Zn流失，二是对Mg、Zn、O原子流中的Zn流失进行Zn补充，Mg_xZn_1–xO薄膜晶体中的Zn空位得到填补。这样的话，在所制备的MgZnO薄膜中Mg、Zn原子比例基本与所使用的Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材中的Mg、Zn原子比例相同，响应波长基本上与设计波长相同，等于探测波长。所制备的Mg_xZn_1–xO薄膜晶体的晶格结构完整，随之而来的效果一是响应度高，也就是响应峰值高，因此探测灵敏度高；二是响应截止能力强，也就是截止边波长接近响应波长，因此，探测器抗可见光干扰能力强。Zn原子缺失直接导致晶格缺陷，间接降低响应度和响应截止能力。

本发明之技术效果还能够从以下数据看出。取Mg_xZn_1–xO式中的x为0.45，制作Mg_0.45Zn_0.55O陶瓷靶材，根据本发明之方法制备Mg_0.45Zn_0.55O薄膜晶体，采用该Mg_0.45Zn_0.55O薄膜制作紫外光电探测器，在3V偏压下测试，其截止边波长为284nm，如图4所示，十分接近280nm的日盲波段，而响应波长为267nm。可见，响应波长基本等于设计波长；响应波长与截止边波长十分接近，响应截止能力较强。该紫外光电探测器其暗电流在10V偏压下仅为2.67pA，并且，紫外可见比大于4个量级。该紫外光电探测器在3V偏压下响应度达到0.31A/W，见图4中的实线曲线所示，而采用由现有方法制备的Mg_xZn_1–xO薄膜晶体制作的紫外光电探测器，在相同偏压下，其响应度非常低，乘以187才达到0.31A/W，见图4中的虚线曲线所示。

附图说明

图1是现有MgZnO薄膜射频磁控溅射制备方法溅射靶材沉积生长薄膜晶体过程示意图。图2是本发明之MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法溅射靶材沉积生长薄膜晶体过程示意图，该图同时表示叠靶由圆片状溅射靶与圆片状Zn环靶构成，该图兼作为摘要附图。图3是本发明之MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法溅射靶材沉积生长薄膜晶体过程示意图，该图同时表示叠靶由圆片状溅射靶与圆环状Zn环靶构成。图4是Mg_xZn_1–xO薄膜紫外光电探测器的响应度曲线图。

具体实施方式

本发明之方法具体过程如下。

采用本发明之方法制备MgZnO薄膜在射频磁控溅射仪的真空室中进行。将由Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材制作的圆片状溅射靶1放置在真空室内的溅射靶台上，0≤x≤0.45，如x=0.45。衬底2与溅射靶1相对并位于溅射靶1上方，衬底2为蓝宝石平板，衬底2与溅射靶1的间距为5cm。由机械泵和分子泵将真空室两级抽真空至5.0×10^-4Pa。通入真空室内的纯度均为99.999%、压强均为5Pa的氩气、氧气，该两种气体在真空室内混合为溅射气体。衬底2升温至450℃。射频电源频率为13.56MHz，提供120W的溅射功率，溅射及Mg_xZn_1–xO薄膜的生长时间为1.5小时。在所述溅射靶台上增设一个Zn环靶3。Zn环靶3的材质为Zn或者ZnO。Zn环靶3的形状为圆片状或者圆环状。当Zn环靶3采用圆片状Zn环靶时，溅射靶1在上、Zn环靶3在下，二者同轴纵向叠加构成叠靶，并且，Zn环靶3的外径大于溅射靶1的外径，如图2所示，Zn环靶3上表面除了被溅射靶1覆盖部分之外的部分为一个圆环，该圆环的内径即为所述Zn环靶3的内径，该Zn环靶3的内径自然等于所述溅射靶1的外径。当Zn环靶3采用圆环状Zn环靶时，溅射靶1在里、Zn环靶3在外，二者同轴横向叠加构成叠靶，并且，Zn环靶3的内径等于溅射靶1的外径，如图3所示。

采用真空电阻热蒸发的方法在所制备的MgZnO薄膜表面蒸镀一层50nm厚的Au膜；以紫外曝光和湿法腐蚀的方式制备MSM（金属-半导体-金属）电极，电极叉指的指长为500μm、指宽为5μm、指间距为5μm，叉指数为15对，得到MgZnO紫外光电探测器。

通过对所制备的Mg_0.45Zn_0.55O薄膜晶体进行X射线衍射测试，确认其具有(002)择优取向，说明该Mg_0.45Zn_0.55O薄膜晶体为六方结构，并没有出现立方相。通过紫外分光光度计测试，得到Mg_0.45Zn_0.55O薄膜的截止边波长为288nm。通过半导体分析仪测试，得到所制作的MgZnO紫外光电探测器在10V偏压下暗电流为2.67pA，如此低的暗电流与由Mg的高浓度引起的薄膜高阻相关。所制作的MgZnO紫外光电探测器在3V偏压下的响应度达到为0.31A/W，截止边波长为284nm，紫外可见比(284nm/420nm)大于4个数量级。

Claims

1.一种MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法，采用该方法制备MgZnO薄膜在射频磁控溅射仪的真空室中进行，将由Mg_xZn_1–xO陶瓷靶材制作的圆片状溅射靶（1）放置在真空室内的溅射靶台上；衬底（2）与溅射靶（1）相对并位于溅射靶（1）上方，真空室抽真空后通入溅射气体；衬底（2）升温，提供溅射功率；其特征在于，在所述溅射靶台上增设一个Zn环靶（3），Zn环靶（3）的内径等于所述溅射靶（1）的外径，由溅射靶（1）和Zn环靶（3）构成叠靶。

2.根据权利要求1所述的MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法，其特征在于，Zn环靶（3）的材质为Zn或者ZnO。

3.根据权利要求1所述的MgZnO薄膜叠靶射频磁控溅射制备方法，其特征在于，Zn环靶（3）的形状为圆片状或者圆环状；当Zn环靶（3）采用圆片状Zn环靶时，溅射靶（1）在上、Zn环靶（3）在下，二者同轴纵向叠加构成叠靶，并且，Zn环靶（3）的外径大于溅射靶（1）的外径，Zn环靶（3）上表面除了被溅射靶（1）覆盖部分之外的部分为一个圆环，该圆环的内径即为所述Zn环靶（3）的内径，该Zn环靶（3）的内径自然等于所述溅射靶（1）的外径；当Zn环靶（3）采用圆环状Zn环靶时，溅射靶（1）在里、Zn环靶（3）在外，二者同轴横向叠加构成叠靶，并且，Zn环靶（3）的内径等于溅射靶（1）的外径。