CN1240882C - n型Zn1－XMgxO晶体薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，其n型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁵～10²¹cm^-3，载流子浓度为10¹⁴～10¹⁹cm^-3。制备采用脉冲激光沉积法，步骤如下：先取高纯ZnO、MgO和n型掺杂剂的粉末，其中MgO摩尔含量x为0＜x≤40%，n型掺杂剂的摩尔含量y为0＜y≤1%，将上述粉末均匀混合，研磨后加入有机粘结剂压制成型，在800～1100℃温度下烧结，制得n型掺杂的Zn_1-xMg_xO陶瓷靶，然后以压力为8～15Pa的高纯氧气作为生长气氛，所得的陶瓷靶为靶材，利用激光照射靶面，形成激波，把靶材输送到经清洗的衬底生长获得n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜。本发明通过调节靶材中掺杂剂的摩尔含量可以控制掺杂浓度。

Description

n型Zn1-xMgxO晶体薄膜及其制备方法

                           技术领域

本发明涉及n型掺杂的Zn_1-xMg_xO晶体薄膜及其制备方法。

                           背景技术

Zn_1-xMg_xO三元合金是ZnO与MgO按照一定的组分形成的固溶体，在ZnO基发光和光电器件应用中，为了提高器件的发光效率需要制备p-Zn_1-xMg_xO/ZnO/n-Zn_1-xMg_xO的量子阱、超晶格结构，生长可控的n和p型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜。但是目前仅有本征不掺杂的Zn_1-xMg_xO薄膜，还没有n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，对于本征不掺杂的Zn_1-xMg_xO薄膜的制备方法主要有：金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)等，而对于Zn_1-xMg_xO晶体薄膜的n型掺杂技术一直没有解决，影响了Zn_1-xMg_xO晶体薄膜在光电器件中的应用。

                           发明内容

本发明的目的是提供一种n型掺杂的Zn_1-xMg_xO晶体薄膜及其制备方法。

本发明的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，其n型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁵～10²¹cm^-3，载流子浓度为10¹⁴～10¹⁹cm^-3，x的取值范围为0＜x≤0.4。

制备本发明的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜是采用具有衬底温度较低、沉积参数易控、易保持薄膜与靶成分一致、生长的薄膜质量较好等优点的脉冲激光沉积法，包括以下步骤：

1)取高纯ZnO、MgO和n型掺杂剂的粉末(纯度99.99％以上)，其中MgO摩尔含量x为0＜x≤40％，n型掺杂剂的摩尔含量y为0＜y≤1％，将上述粉末均匀混合，研磨后加入有机粘结剂压制成型，在800～1100℃温度下烧结，制得n型掺杂的Zn_1-xMg_xO陶瓷靶；

2)用常规方法将衬底清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室真空度抽到至少10^-3pa，加热衬底，使衬底温度为400～700℃，以压力为8～15pa的高纯氧气作为生长气氛，步骤1)所得的n型掺杂的Zn_1-xMg_xO陶瓷靶为靶材，将靶材置于距离衬底4～6cm处，利用激光照射靶面，形成激波，把靶材输送到衬底生长获得n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜。

上述n型掺杂剂可以是铝或铟或镓或硼，例如可用Al₂O₃或In₂O₃或Ga₂O₃或B₂O₃。衬底可以采用氧化锌或硅或蓝宝石或玻璃。有机粘结剂可用聚乙酸乙烯脂。根据掺入不同含量的掺杂剂可以制备不同掺杂浓度的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，生长时间由所需晶体薄膜的厚度决定。

本发明的优点：

1)在Zn_1-xMg_xO晶体薄膜生长过程中可以同时实现n型掺杂；

2)利用脉冲激光沉积技术可以把靶材的成分完全复制到所生长的薄膜中，因此只要制备的靶材的掺杂剂浓度高，就可获得很高的掺杂浓度；

3)掺杂浓度可以通过调节靶材中掺杂剂的摩尔含量来控制。

4)本发明的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜的禁带宽度在3.3eV到4.0eV范围可调。

                        附图说明

图1是本发明采用的脉冲激光沉积装置。

图中：1为激光器，2为棱镜，3为反射镜，4为衬底，5为激光靶6为阀门，7为质量流量计，8为真空泵，9为门

                      具体实施方式

实施例

1)取纯度为99.99％的ZnO、MgO和Al₂O₃粉末，其中MgO摩尔含量为20％，即MgO∶ZnO的摩尔比为1∶4，Al₂O₃摩尔含量为0.1％。然后将ZnO、MgO和Al₂O₃粉末混合倒入玛瑙球杯中，放在球磨机上进行球磨。通过球磨一方面可将ZnO、MgO和Al₂O₃粉末混合均匀，以保证制备出来的靶材的均匀性。另一方面可使ZnO、MgO和Al₂O₃粉末细化，以利于随后ZnO、MgO和Al₂O₃混合粉末的成型和烧结。球磨结束后加入粘结剂聚乙酸乙烯脂，将粉末压制成型，一般压制成厚度为3mm，直径为4cm的圆片；再将压制好的粉末圆片在1000℃下烧结1小时，有机粘结剂挥发掉，得到掺Al₂O₃的Zn_0.8Mg_0.2O陶瓷靶。

2)以硅片作衬底为例，首先用RCA法清洗硅片：i)用体积比为1∶1∶6的氨水、双氧水、和去离子水的混合液去除硅片表面的有机物杂质；ii)用体积比为1∶10的氢氟酸和去离子水去除表面氧化层；iii)用体积比为1∶1∶6的盐酸、双氧水和去离子水的混合液去除硅片表面的无机物杂质；iv)在装样前再次用1∶10的氢氟酸和去离子水去除表面的氧化层和其它杂质。然后将靶和清洁的衬底放入脉冲激光沉积装置生长室中，并固定在相应的样品架上，调整衬底和靶的距离为5cm，用档板将衬底和靶隔开，生长室真空度抽到5×10^-3Pa，升温加热衬底至薄膜生长温度，设生长温度为600℃。由流量计控制输入高纯氧气作为生长气氛，使锌加镁与氧的化学计量比为1∶1，氧压为12Pa，开启激光器，调节反射镜使激光照射在靶面上，移开档板，开始沉积进行生长。生长过程中，激光的工作电压和频率分别控制为27kV，1.5Hz，保持衬底与靶之间距离为5cm，氧气的压力不变。本例制得的是n型Zn_0.8Mg_0.2O晶体薄膜。

通过改变靶材中MgO和掺杂剂的含量，即MgO摩尔含量为0＜x≤40％，n型掺杂剂的摩尔含量为0＜y≤1％，可以制得不同掺杂浓度和组分的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，掺杂浓度为10¹⁵～10²¹cm^-3，载流子浓度为10¹⁴～10¹⁹cm^-3。

Claims (4)

1.n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，其特征在于该晶体薄膜n型掺杂剂的掺杂浓度为10¹⁵～10²¹cm^-3，载流子浓度为10¹⁴～10¹⁹cm^-3，x的取值范围为0＜x≤0.4。

2.根据权利要求1所述的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜，其特征在于所说的n型掺杂剂是铝或铟或镓或硼。

3.权利要求1所述的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜的制备方法，其特征是采用脉冲激光沉积法，包括以下步骤：

1)取高纯ZnO、MgO和n型掺杂剂的粉末，其中MgO摩尔含量x为0＜x≤40％，n型掺杂剂的摩尔含量y为0＜y≤1％，将上述粉末均匀混合，研磨后加入有机粘结剂压制成型，在800～1100℃温度下烧结，制得n型掺杂的Zn_1-xMg_xO陶瓷靶；

2)用常规方法将衬底清洗后放入脉冲激光沉积装置的生长室中，生长室真空度抽到至少10^-3Pa，加热衬底，使衬底温度为400～700℃，以压力为8～15Pa的高纯氧气作为生长气氛，步骤1)所得的n型掺杂的Zn_1-xMg_xO陶瓷靶为靶材，将靶材置于距离衬底4～6cm处，利用激光照射靶面，进行生长。

4.根据权利要求3所述的n型Zn_1-xMg_xO晶体薄膜的制备方法，其特征是所说的衬底是氧化锌或硅或蓝宝石或玻璃。

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