一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，提供了一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，包括如下步驟：制備Mg0.5Zn0.5O靶材；將襯底放入腔體內(nèi)，加熱所述襯底至700℃，通入氧氣以控制所述腔體壓強(qiáng)，然后采用所述靶材，在所述襯底上進(jìn)行進(jìn)行脈沖沉積，獲得立方結(jié)構(gòu)(111)取向MgZnO薄膜；所述襯底為(111)取向單晶MgO襯底。本發(fā)明還提供了一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜，采用所述的制備方法制成。本發(fā)明利用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)，采用Mg0.5Zn0.5O陶瓷靶制備立方相MgZnO薄膜，通過生長溫度、氧氣壓強(qiáng)和氧氣流量的精確控制，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量(111)取向立方MgZnO薄膜的生長，為制備不同取向高質(zhì)量MgZnO基多元合金薄膜提供了便捷有效的手段。
【專利說明】
一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[000? ]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種立方結(jié)構(gòu)(111)取向MgZnO薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MgZnO薄膜帶隙可調(diào)范圍較寬(3.37-7.86￥)，在原理上可以應(yīng)用于370-16011111范圍內(nèi)的紫外光電器件等領(lǐng)域。由于Zn2+離子和Mg2+離子半徑非常接近，MgZnO材料中Mg或Zn院子的混入不會引入很大的晶格畸變，因此原理上MgZnO薄膜可以獲得較高的質(zhì)量。另外由于MgZnO薄膜材料還具有生長溫度低，抗輻射性能更強(qiáng)，以及原料豐富，成本低，無污染，熱穩(wěn)定性好等天然優(yōu)勢,MgZnO適合于制作日盲紫外光固體紫外探測器。
[0003]如要想實(shí)現(xiàn)高性能日盲紫外光探測器，首先要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量立方MgZnO薄膜的生長取向和生長質(zhì)量的有效控制。常用的用于光電器件的立方結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料有(100)和(111)兩種取向，其中(100)取向的材料表面原子密度低，非極性，表面比較穩(wěn)定，光電子的迀移率較高，適合做高速光探測器件。(I 11)取向的材料表面原子密度高，有極性，表面比較活潑，對于照射的光有增益特性，適合做大增益、高響應(yīng)度的光探測器件。而且對于不同的材料，生長取向的不同會導(dǎo)致生長質(zhì)量的不同，因此需要制備不同取向的高質(zhì)量立方MgZnO薄膜，然后才能對不同取向立方MgZnO薄膜在紫外光電器件上的應(yīng)用開展系統(tǒng)的研究工作。但現(xiàn)階段，這方面的研究極度缺乏，由于薄膜材料的生長結(jié)構(gòu)、生長取向和質(zhì)量的控制一方面受到襯底結(jié)構(gòu)、取向和表面原子排布的影響，生長條件的變化對襯底表面原子結(jié)構(gòu)有重大影響，因此要想獲得單一結(jié)構(gòu)、單一取向的MgZnO薄膜，不但襯底結(jié)構(gòu)和取向要選取合適，還要通過生長條件的選取精確控制襯底表面的原子構(gòu)成，MgZnO薄膜才能沿襯底的結(jié)構(gòu)和取向生長，其他結(jié)構(gòu)和取向的MgZnO生長才會得到有效抑制,MgZnO的質(zhì)量才能有效的提高，另一方面，薄膜材料的生長結(jié)構(gòu)和取向還會受到反應(yīng)原子迀移能的影響，不同結(jié)構(gòu)、不同取向的MgZnO薄膜對反應(yīng)原子迀移能的要求也不一樣，在生長過程中需要根據(jù)MgZnO薄膜的生長取向和結(jié)構(gòu)精確控制反應(yīng)原子的迀移能，MgZnO薄膜才能按照襯底的結(jié)構(gòu)和取向生長，其他結(jié)構(gòu)和取向的MgZnO生長才會得到有效抑制，MgZnO薄膜的質(zhì)量才能較高，但現(xiàn)階段這方面研究工作的報(bào)道比較少。
[0004]目前制備MgZnO薄膜主要有PLD(脈沖激光沉積)技術(shù)、磁控濺射、MBE(分子束外延)、M0CVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)等方法。2003年，年美國馬里蘭大學(xué)及軍隊(duì)研究實(shí)驗(yàn)室Yang等人用SrT13緩沖層以克服Si和MgZnO間晶格間熱膨脹失配，異質(zhì)外延生長立方結(jié)構(gòu)Mg0.68ZnQ.32O薄膜。但之后并沒有報(bào)道利用PLD方法制備出不同生長取向、結(jié)晶質(zhì)量更好的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種高質(zhì)量立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜及其制備方法，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中不同取向立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的質(zhì)量問題。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，提供一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其包括如下步驟:
[0007 ]制備 Mg0.5Zn0.5O 革巴材；
[0008]將襯底放入腔體內(nèi)，加熱所述襯底至700°C，通入氧氣以控制所述腔體壓強(qiáng)，然后采用所述靶材，在所述襯底上進(jìn)行脈沖沉積，獲得立方結(jié)構(gòu)(111)取向MgZnO薄膜;所述襯底為(111)取向單晶MgO襯底。
[0009]本發(fā)明還提供了一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜，采用上述的制備方法制成。
[0010]有益效果:本發(fā)明提供的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其利用脈沖激光沉積(PLD)技術(shù)，采用MgQ.5Zn0.50陶瓷靶制備立方相MgZnO薄膜，通過生長溫度、氧氣壓強(qiáng)和氧氣流量的精確控制，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量(I 11)取向立方MgZnO薄膜的生長，為制備不同取向高質(zhì)量MgZnO基多元合金薄膜提供了便捷有效的手段。
【附圖說明】
[0011 ]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1的高溫高氧壓高氧流量條件下在石英襯底，(I 11)和(200)單晶MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜的歸一化X射線衍射圖；
[0012]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的高溫高氧壓高氧流量條件下在(Ill)MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜的高分辨X射線衍射圖；
[0013]圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的高溫高氧壓高氧流量條件下在(Ill)MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜的高分辨X射線雙晶搖擺(XRC)曲線；
[0014]圖4本發(fā)明實(shí)施例1的低溫低氧壓低氧流量條件下在(200)MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜的原子力(AFM)照片；
[0015]圖5本發(fā)明實(shí)施例1的高溫高氧壓高氧流量條件下在(Ill)MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜的在紫外-可見光下的吸收光譜；
[0016]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1的高溫高氧壓高氧流量條件下在(Ill)MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜在紫外-可見光下的光子能量和吸收系數(shù)乘積的平方(ahv)2隨光子能量hv的變化曲線；
[0017]圖7是本發(fā)明實(shí)施例1的高溫高氧壓高氧流量條件下在(Ill)MgO襯底上獲得的MgZnO薄膜的X射線光電子能譜。
【具體實(shí)施方式】
[0018]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0019]按照本發(fā)明的技術(shù)方案制備立方結(jié)構(gòu)(111)取向MgZnO薄膜，過程如下:
[0020]S01:制備 Mg0.sZn0.50 靶材;
[0021]S02:將襯底放入腔體中，加熱所述襯底至700°C，通入流量為50sCCm的氧氣，使腔體壓強(qiáng)在SPa，然后采用Mg0.5Zn0.50靶材，在所述襯底上進(jìn)行脈沖沉積，獲得立方結(jié)構(gòu)(I 11)取向MgZnO薄膜。
[0022]具體地，步驟SOl中所述靶材可以市售獲得或者通過現(xiàn)有技術(shù)制備，步驟S02中，所述單晶MgO襯底的取向?yàn)?111)。
[0023]步驟S02具體為，將襯底切割成15X 20cm大小，經(jīng)過清洗后放置于PLD設(shè)備生長室內(nèi)。在靶托上放入所述Mg0.5Zn0.50靶材作為源材料，在距離靶材正前方放置清洗后的襯底，通過移動襯底的基底托調(diào)節(jié)基靶間距，使基底與靶材的間距可以在50?90mm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，加熱所述襯底至700°C。所述襯底的加熱可以通過爐絲加熱襯底，實(shí)現(xiàn)可以提供襯底溫度為室溫到750°C的精確溫度控制。生長之前，對襯底進(jìn)行預(yù)熱;生長時，調(diào)節(jié)襯底溫度為700°C，打開激光器和基靶之間擋板進(jìn)行沉積;生長100?140分鐘后關(guān)閉激光器和基靶之間擋板，降至室溫，取出樣品。生長過程在變化氧氣氣壓的條件下進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)真正的氧氣氣壓的調(diào)節(jié)，防止其他氣體的影響，在機(jī)械栗和分子栗作用下抽真空，生長室的背底真空可以達(dá)到?5 X 10—4Paο以高純氧氣(99.9999 % )作為生長氣體，為了調(diào)節(jié)氧氣流量，可以用兩路量程為O?50SCCm和O?200SCCm的流量控制。所述高純氧氣進(jìn)入工作室腔體前被一個高壓裝置離化。將被離化裝置離化的高純氧氣引入真空反應(yīng)室，通過調(diào)節(jié)氧氣流量至50sCCm，將生長室內(nèi)氣壓控制在8Pa，使薄膜分別在不同的工作壓強(qiáng)下生長。采用德國Lambda Physics公司進(jìn)口的COMPexPro 220KrF準(zhǔn)分子激光器為激光光源，激光波長248nm，脈寬20ns，脈沖能量可變化范圍:O?700mJ，脈沖頻率:O?50Hz。優(yōu)選地，生長時激光能量固定在250?350mJ。
[0024]脈沖激光沉積技術(shù)是在一定激光功率和激光光斑尺寸下燒蝕靶材，此時，Mg、Zn、0原子會脫離靶材、以一定速度到達(dá)襯底表面進(jìn)行再結(jié)晶成膜，生長MgZnO薄膜。在光電子薄膜材料中，(111)取向的立方結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體薄膜材料結(jié)晶質(zhì)量較高，更有利于高性能光電子器件的制備。在立方結(jié)構(gòu)MgO薄膜的制備方面，(111)取向的MgO薄膜需要在較高的溫度條件下制備。對于MgZnO合金薄膜材料而言，過高的生長溫度會增強(qiáng)MgZnO薄膜中橫向熱迀移，出現(xiàn)六方結(jié)構(gòu)MgZnO，不利于立方結(jié)構(gòu)(111 )MgZnO薄膜的生長和薄膜質(zhì)量的提高，但如果要獲得高質(zhì)量的薄膜材料，生長溫度還不能太低。
[0025]本發(fā)明的立方結(jié)構(gòu)(111)取向MgZnO薄膜的制備方法，是利用O蒸汽壓較高的特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)生長參數(shù)使MgZnO薄膜生長處于較高氣壓、氧氣流量較大的環(huán)境，此時由于Mg、Zn、O原子向襯底運(yùn)動過程中收到氧氣的碰撞幾率較高，到達(dá)襯底時迀移能量較低，無法迀移到對反應(yīng)原子迀移能量要求較高的(200)取向立方MgZnO表面和六方(0002)表面，只能迀移到對反應(yīng)原子迀移能量要求較低的(111)取向立方MgZnO表面，因此在較高氣壓、氧元素充足的環(huán)境下比較有利于(111)取向立方MgZnO薄膜的生長。同時采用(I 11)取向的單晶MgO襯底，在較高的溫度下襯底表面與氧氣的反應(yīng)比較強(qiáng)，襯底表面完全被O原子覆蓋，并且原子的排布完全按照(111)MgO的表面排布形式，在較低的反應(yīng)離子迀移能和富氧的襯底表面，(200)取向的立方MgZnO和六方結(jié)構(gòu)的MgZnO的生長受到抑制，MgZnO只能按照立方結(jié)構(gòu)的(111)取向生長，因此MgZnO薄膜結(jié)晶質(zhì)量較高。如果在此條件下采用(200)Mg0單晶襯底，從圖1中可以看出MgZnO薄膜雖然沿(111)取向生長，但薄膜質(zhì)量較差。
[0026]在本發(fā)明中具體規(guī)定了獲得缺氧和富氧氣氛的方法(抽真空，實(shí)際還可采用通入惰性氣體等)、氧氣流量、陶瓷靶種類、激光器參數(shù)、襯底溫度、生長時間等參數(shù)，本發(fā)明正是通過對MgZnO薄膜制備過程中各相關(guān)參數(shù)的不同調(diào)節(jié)和協(xié)調(diào)控制，才獲得了本發(fā)明的技術(shù)效果。
[0027]應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明的方法為高質(zhì)量多元立方結(jié)構(gòu)氧化物薄膜的制備提供了一種新的思路，即，利用不同生長氣壓，氧氣流量等條件下沉積原子迀移能的變化，實(shí)現(xiàn)薄膜材料生長取向和生長結(jié)構(gòu)的有效控制，在適當(dāng)原子構(gòu)成的襯底上可以獲得高質(zhì)量氧化物合金薄膜材料，也可參照應(yīng)用于非氧化物薄膜，例如多元氮化物薄膜。
[0028]以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029]實(shí)施例1
[0030]將清洗好的單晶(111)MgO襯底放入腔體樣品架上，先把腔體抽到5.0 X 10—4Pa的背底真空度，襯底溫度升至700 °C預(yù)處理30min，然后進(jìn)行生長。通過改變氧氣流量，使氧氣流量固定在50SCCm。生長過程中，激光能量和激光頻率分別固定為300mJ，5Hz，襯底溫度保持在7000C，生長時間為120min，并通過調(diào)整單位時間內(nèi)抽出腔體氣體的量，使氧氣壓強(qiáng)固定在8Pa。降至室溫取出樣品。
[0031]本實(shí)施例在高溫高氧壓高氧氣流量條件下，在石英襯底上制備的MgZnO薄膜沿
(111)取向擇優(yōu)生長，在單晶(200)襯底上制備的MgZnO薄膜沿(200)取向生長，但質(zhì)量較差。在單晶(111)襯底上制備的MgZnO薄膜只沿(111)取向生長(如圖1)在單晶(Ill)MgO襯底上制備的(Ill)MgZnO的X射線衍射峰較窄(圖2)顯示。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的高溫高氧壓高氧氣流量條件下，在單晶(I 11 )MgO襯底上制備的MgZnO薄膜的高分辨X射線雙晶搖擺(XRC)曲線，可以看出XRC曲線的半高寬只有199areSec，MgZn0薄膜的質(zhì)量較高。
[0032]圖4是本實(shí)施例中得到的高溫高氧壓高氧氣流量條件下，在單晶(Ill)MgO襯底上制備的MgZnO薄膜的原子力(AFM)照片，薄膜表面粗糙度只有4.5nm，薄膜表面比較平整。MgZnO薄膜的吸收光譜(圖5)顯示，薄膜的吸收邊大約在255nm。圖6是本實(shí)施例中得到的高溫高氧壓高氧氣流量條件下，在單晶(111 )MgO襯底上制備的MgZnO薄膜的紫外-可見光下光子能量和吸收系數(shù)乘積的平方(ahv)2隨光子能量hv的變化曲線，從圖中可得MgZnO薄膜的光學(xué)禁帶寬度約為4.95^4射線光電子能譜(圖7)分析得到的薄膜樣品的Mg和Zn的相對含量約為75.8%和24.2%。
[0033]由本實(shí)施例中可以看到，在較高的溫度，氧氣壓強(qiáng)和氧氣流量條件下，在(111)單晶MgO襯底上可以通過激光脈沖沉積方法制備出高質(zhì)量立方結(jié)構(gòu)(111 )MgZnO薄膜。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 制備Mg0.5Zn0.5O革巴材； 將襯底放入腔體內(nèi)，加熱所述襯底至700 V，通入氧氣以控制所述腔體壓強(qiáng)，然后采用所述靶材，在所述襯底上進(jìn)行脈沖沉積，獲得立方結(jié)構(gòu)(111)取向MgZnO薄膜;所述襯底為(111)取向單晶MgO襯底。2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述通入氧氣以控制所述腔體壓強(qiáng)為通入氧氣流量為40_70sccm，使所述腔體的壓強(qiáng)為6-10Pa。3.如權(quán)利要求1所述的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，所述氧氣為高純氧氣。4.如權(quán)利要求1所述的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底與革巴材的距離為50?90mm。5.如權(quán)利要求1所述的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，所述脈沖沉積的時間為100?140min。6.如權(quán)利要求1所述的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，所述脈沖沉積的激光能量為250?350mJ。7.如權(quán)利要求1所述的立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，所述將襯底放入腔體中后，加熱襯底前，還包括對腔體抽真空的步驟。8.一種立方結(jié)構(gòu)MgZnO薄膜，其特征在于，采用權(quán)利要求1?7任意一項(xiàng)所述的制備方法制成。
【文檔編號】C23C14/08GK106086796SQ201610387144
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月1日 公開號201610387144.6, CN 106086796 A, CN 106086796A, CN 201610387144, CN-A-106086796, CN106086796 A, CN106086796A, CN201610387144, CN201610387144.6
【發(fā)明人】韓舜, 呂有明, 曹培江, 柳文軍, 曾玉祥, 賈芳, 劉新科, 朱德亮
【申請人】深圳大學(xué)