專利名稱：多光區發光Ag、Ga、N 摻雜ZnO薄膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及ZnO薄膜及其制備方法。
背景技術：
ZnO是一種寬禁帶(3. 37eV)直接帶隙半導體，其自由激子結合能(60emV)高于室溫時熱離化能(25meV)，室溫下激子不會分解，可以實現室溫以及更高溫度的激子復合發光，因此ZnO半導體薄膜在光電器件領域中有著廣闊的應用前景，其發光波段范圍較廣，在不同條件下制備的ZnO，在室溫時就可以觀察到從紫外光到可見光中的紅橙光，發光波段從 370nm 700nm，因此單一材料的ZnO就可以實現其在紫外光和白光發光器件中的應用，而通過摻雜可以有效的調節ZnO的發光峰位和發光強度。然而單一摻雜的ZnO會出現摻雜濃度低、發光強度弱，發光區域少等缺點。
發明內容
本發明是要解決現有的單一摻雜的ZnO薄膜發光強度弱、發光區域少的技術問題，而提供多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜及其制備方法。本發明的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜是在襯底上濺射一層Ag、Ga、N共同摻雜的ZnO薄膜。本發明的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法按以下步驟進行一、靶材的制備按質量百分比稱取99. I % 99. 6%的ZnO粉末和O. 9% O. 4% 的Ga2O3粉末并混合均勻，加入到模具中，在溫度為1000°C 1300°C、壓力為5 20MPa的條件下壓制4 6h,得到直徑為60mm 100mm、厚度為3mm 5mm的陶瓷片，然后將占陶瓷片面積1% 2%的Ag片貼到陶瓷片中心位置，得到靶材；其中ZnO粉末的純度>99. 99%, 粒度為O. 2μπι 2μ ，Ga2O3粉末的純度彡99. 99%，粒度為0·2μπι 2μπι;二、將步驟一制備的靶材和襯底放到射頻磁控濺射鍍膜機中，其中控制靶材與襯底距離為8cm 9cm，將濺射室抽真空至真空度為9 X 10_4Pa I X 10 ,然后按N2和O2的體積比為2 3將隊和02的混合氣體通入到濺射室內，保持濺射室的壓強為IPa，在襯底溫度為290 310°C、濺射功率為60W 80W的條件下，濺射Ih I. 5h，得到膜片；三、將步驟三得到的膜片放溫度為530 560°C的馬弗爐中退火Ih I. 5h，得到多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜。其中襯底為硅或石英玻璃。本發明采用磁控濺射法在襯底上制備了 Ag、Ga、N雙受主施主共摻雜的ZnO薄膜， 通過摻雜元素Ga和N來調節和控制ZnO薄膜在紫光波段的發光，而Ag的摻雜一方面提高了激子的濃度，促進了 Oi的形成，從而有效的增加了 ZnO薄膜在紫外和可見光區域的發光強度，另一方面提高了 ZnO薄膜中中性施主束縛激子的濃度，在低溫光致發光譜譜中得到了位于3. 359eV的發光峰。摻雜時，由于N的形成能較高，不容易摻進ZnO的晶格中，本發明通過加入Ga和Ag形成Ga-N或者Ag-N復合體，從而能夠增加ZnO薄膜的N的摻雜含量。本發明通過這種雙受主施主摻雜方法，在提高發光強度的同時得到了在紫外光、紫光、紅橙光區域同時發光的ZnO薄膜。本發明的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜可用于光電器件領域。
圖I是試驗一制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的AFM表面形貌圖；圖2是試驗一制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的X射線衍射譜圖；圖3是試驗一制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜及對比的Ga、N摻雜ZnO 薄膜的光致發光譜譜圖；其中a為多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；b為對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；圖4是試驗一制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜及對比的Ga、N摻雜ZnO 薄膜的20K時的低溫光致發光譜譜圖；其中a為多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；b為對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；
具體實施例方式具體實施方式
一本實施方式的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜是在襯底上派射一層Ag、Ga、N共同摻雜的ZnO薄膜。本實施方式的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜，在襯底上磁控濺射Ag、Ga、N雙受主施主共摻雜的ZnO薄膜，通過摻雜元素Ga和N來調節和控制ZnO薄膜在紫光波段的發光，而Ag的摻雜一方面提高了激子的濃度，促進了 Oi的形成，從而有效的增加了 ZnO薄膜在紫外和可見光區域的發光強度，另一方面提高了 ZnO薄膜中中性施主束縛激子的濃度， 在低溫光致發光譜譜中得到了位于3. 359eV的發光峰。摻雜時，由于N的形成能較高，不容易摻進ZnO的晶格中，本發明通過加入Ga和Ag形成Ga-N或者Ag-N復合體，從而能夠增加 ZnO薄膜的N的摻雜含量。本發明通過這種雙受主施主摻雜方法，在提高發光強度的同時得到了在紫外光、紫光、紅橙光區域同時發光的ZnO薄膜。
具體實施方式
二 本實施方式與具體實施方式
一不同的是所述的襯底為硅或石英玻璃。其它與具體實施方式
二相同。
具體實施方式
三本實施方式的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法按以下步驟進行一、靶材的制備按質量百分比稱取99. I % 99. 6%的ZnO粉末和O. 9% O. 4% 的Ga2O3粉末并混合均勻，加入到模具中，在溫度為1000°C 1300°C、壓力為5 20MPa的條件下壓制4 6h,得到直徑為60mm 100mm、厚度為3mm 5mm的陶瓷片，然后將占陶瓷片面積1% 2%的Ag片貼到陶瓷片中心位置，得到靶材；其中ZnO粉末的純度>99. 99%, 粒度為O. 2μπι 2μ ，Ga2O3粉末的純度彡99. 99%，粒度為0·2μπι 2μπι;二、將步驟一制備的靶材和襯底放到射頻磁控濺射鍍膜機中，其中控制靶材與襯底距離為8cm 9cm，將濺射室抽真空至真空度為9 X 10_4Pa I X 10 ,然后按N2和O2的體積比為2 3將隊和02的混合氣體通入到濺射室內，保持濺射室的壓強為IPa，在襯底溫度為290 310°C、濺射功率為60W 80W的條件下，濺射Ih I. 5h，得到膜片；三、將步驟三得到的膜片放溫度為530 560°C的馬弗爐中退火Ih I. 5h，得到多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜。本實施方式采用磁控濺射法在襯底上制備了 Ag、Ga、N雙受主施主共摻雜的ZnO薄膜，通過摻雜元素Ga和N來調節和控制ZnO薄膜在紫光波段的發光，而Ag的摻雜一方面提高了激子的濃度，促進了 Oi的形成，從而有效的增加了 ZnO薄膜在紫外和可見光區域的發光強度，另一方面提高了 ZnO薄膜中中性施主束縛激子的濃度，在低溫光致發光譜譜中得到了位于3. 359eV的發光峰。同時由于N的形成能較高，不容易摻進ZnO的晶格中，通過加入Ga和Ag形成Ga-N或者Ag-N復合體，從而能夠增加ZnO薄膜的N的摻雜含量。本實施方式通過這種雙受主施主摻雜方法，在提高發光強度的同時得到了在紫外光、紫光、紅橙光區域同時發光的ZnO薄膜。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
三不同的是步驟二中所述的襯底為硅或石英玻璃。其它與具體實施方式
三相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
三或四不同的是步驟一中按質量百分比稱取99. 2 % 99. 5 %的ZnO粉末和O. 5 % O. 8 %的Ga2O3粉末。其它與具體實施方式
三或四相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
三至五之一不同的是步驟一中壓制的溫度為1100°c 1250°C、壓力為8MPa 18MPa、時間為4. 5h 5. 5h。其它與具體實施
方式三至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
三至六之一不同的是步驟一中陶瓷片的直徑為70mm 90mm、厚度為3. 5mm 4. 5mm。其它與具體實施方式
三至六之一相同。。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
三至七之一不同的是步驟一中ZnO 粉末的粒度為O. 5 μ m I. 5 μ m，Ga2O3粉末的粒度為O. 5 μ m I. 5 μ m。其它與具體實施方式
三至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
三至八之一不同的是步驟二中靶材與襯底距離為8. 2cm 8. 8cm。其它與具體實施方式
三至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
三至九之一不同的是步驟二中濺射室抽真空至真空度為9. 2X 10_4Pa 9. 8X 10_4Pa。其它與具體實施方式
三至九之一相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
三至十之一不同的是步驟二中濺射時襯底溫度為295°C 305°C、濺射功率為65W 75W、濺射時間為I. 2h I. 4h。其它與具體實施方式
三至十之一相同。
具體實施方式
十二 本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是步驟三中退火溫度為540°C 550°C、退火時間為I. Ih 1.4h。其它與具體實施方式
一至九之一相同。用以下試驗驗證本發明的有益效果試驗一本試驗的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法按以下步驟進一、靶材的制備按質量百分比稱取99. 5%的ZnO粉末和O. 5%的Ga2O3粉末并混合均勻，加入到模具中，在溫度為1000°c 1300°C、壓力為5 20MPa的條件下熱壓4 6h 時間，得到直徑為60mm、厚度為3mm的陶瓷片，然后將占陶瓷片面積I %的Ag片貼到陶瓷片中心位置，得到靶材；其中ZnO粉末的純度為99. 99%，粒度為O. 2 2um，Ga2O3粉末的純度為99. 99%，粒度為O. 2 2um ；
二、將步驟一制備的靶材和襯底放到射頻磁控濺射鍍膜機中，其中控制靶材與襯底距離為8cm，然后將濺射室抽真空至真空度為9 X 10_4Pa，然后按N2和O2的體積比為2 3 將N2和O2的混合氣體通入到濺射室內，保持濺射室的壓強為IPa，在襯底溫度為300°C、濺射功率為60W的條件下，濺射lh，得到膜片；三、將步驟三得到的膜片放溫度為550°C的馬弗爐中退火lh，得到多光區發光Ag、 Ga、N慘雜ZnO薄月旲。本試驗得到的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的AFM表面形貌圖如圖I所示，從圖I可以看出，本試驗制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜表面均勻。本試驗得到的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的X射線衍射譜圖如圖2所示， 從圖2可以看出，該薄膜中，只有ZnO的物相，沒有其他物質。對比試驗按以下步驟制備對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜一、靶材的制備按質量百分比稱取99. 5%的ZnO粉末和O. 5%的Ga2O3粉末并混合均勻，加入到模具中，在溫度為1000°c 1300°C、壓力為5 20MPa的條件下熱壓4 6h 時間，得到直徑為60mm、厚度為3mm的陶瓷片，得到靶材；其中ZnO粉末的純度為99. 99%, 粒度為O. 2 2um，Ga2O3粉末的純度為99. 99%,粒度為O. 2 2um ；二、將步驟一制備的靶材和襯底放到射頻磁控濺射鍍膜機中，其中控制靶材與襯底距離為8cm，然后將濺射室抽真空至真空度為9 X 10_4Pa，然后按N2和O2的體積比為2 3 將N2和O2的混合氣體通入到濺射室內，保持濺射室的壓強為IPa，在襯底溫度為300°C、濺射功率為60W的條件下，濺射lh，得到膜片；三、將步驟三得到的膜片放溫度為550°C的馬弗爐中退火lh，得到對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜。本試驗得到的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜和對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜圖如圖3所示，其中a為本試驗一制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；b為對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；從圖3可以看出，本試驗一制備的薄膜具有373nm、397nm兩個發光峰,其中紫外發光峰373nm對應的光子能量為3. 32eV，此發光峰是由自由激子復合引起的，紫光發光峰 397nm對應的光子能量為3. 12eV，分析表明，其對應于Ga與N的施主受主復合發光，紅橙發光區域位于550nm-700nm之間，可能是由于氧間隙引起的。而對比試驗制備的對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜的譜圖能說明Ag的摻雜能夠有效的提高ZnO薄膜紫外發光峰的強度。本試驗制備的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜和對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜在 20K時的低溫光致發光譜譜圖如圖4所示，其中a為多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；b為對比的Ga、N摻雜ZnO薄膜的光致發光譜譜；從圖4可以看出，兩種薄膜均有位于3. 317eV的中性受主束縛激子發光峰和位于3. 263eV的由N受主束縛激子引起的發光峰，而位于3.359e V的與中性施主有關的發光峰在摻雜了 Ag后的薄膜中有顯著增強， 說明Ag是以間隙Ag的形式存在于ZnO薄膜中的，施主濃度的增加能夠激發自由激子的復合，因此使得ZnO薄膜的紫外發光峰位增強。
權利要求
1.多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜，其特征在于多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜是在襯底上濺射一層Ag、Ga、N共同摻雜的ZnO薄膜。
2.根據權利要求I所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜，其特征在于所述的襯底為硅或石英玻璃。
3.如權利要求I所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法,其特征在于多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法按以下步驟進行一、按質量百分比稱取99.I % 99. 6 %的ZnO粉末和O. 9 % O. 4 %的Ga2O3粉末并混合均勻，加入到模具中，在溫度為1000°C 1300°C、壓力為5 20MPa的條件下壓制4 6h,得到直徑為60mm 100mm、厚度為3mm 5mm的陶瓷片，然后將占陶瓷片面積1% 2% 的Ag片貼到陶瓷片中心位置，得到靶材；其中ZnO粉末的純度> 99. 99 %，粒度為O. 2 μ m 2μπι, Ga2O3粉末的純度彡99. 99%，粒度為0·2μπι 2μπι;二、將步驟一制備的靶材和襯底放到射頻磁控濺射鍍膜機中，其中控制靶材與襯底距離為8cm 9cm，將濺射室抽真空至真空度為9 X 10_4Pa I X 10 ,然后按N2和O2的體積比為2 3將N2和O2的混合氣體通入到濺射室內，保持濺射室的壓強為IPa，在襯底溫度為290 310°C、濺射功率為60W 80W的條件下，濺射Ih I. 5h，得到膜片；三、將步驟三得到的膜片放溫度為530 560°C的馬弗爐中退火Ih I.5h，得到多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜。
4.根據權利要求3所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中所述的襯底為硅或石英玻璃。
5.根據權利要求3或4所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟一中按質量百分比稱取99. 2% 99. 5%的ZnO粉末和O. 5% O. 8%的Ga2O3粉末。
6.根據權利要求3或4所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟一中壓制的溫度為1100°C 1250°C、壓力為8MPa 18MPa、時間為4. 5h 5. 5h。
7.根據權利要求3或4所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟一中ZnO粉末的粒度為O. 5 μ m I. 5 μ m，Ga2O3粉末的粒度為O. 5 μ m I. 5 μ m。
8.根據權利要求3或4所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中靶材與襯底距離為8. 2cm 8. 8cm。
9.根據權利要求3或4所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟二中濺射時襯底溫度為295°C 305°C、濺射功率為65W 75W、濺射時間為I. 2h I. 4h。
10.根據權利要求3或4所述的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜的制備方法，其特征在于步驟三中退火溫度為540°C 550°C、退火時間為I. Ih I. 4h。
全文摘要
多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜及其制備方法，它涉及ZnO薄膜及其制備方法。本發明是要解決現有的單一摻雜的ZnO薄膜發光強度弱、發光區域少的技術問題。本發明的多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜是在襯底上濺射一層Ag、Ga、N共同摻雜的ZnO薄膜；方法將ZnO粉末和Ga2O3粉末熱壓成陶瓷片，再貼上Ag，得到靶材；將靶材和襯底放到射頻磁控濺射鍍膜機中，將濺射室抽真空后通入N2和O2的混合氣體，通過濺射得到膜片，膜片退火后，得到多光區發光Ag、Ga、N摻雜ZnO薄膜，該薄膜在紫外光、紫光、紅橙光區域同時發光，可用于光電器件領域。
文檔編號C23C14/35GK102605317SQ20121009055
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者孟祥龍, 林倩茹, 蔡偉, 雷黎 申請人:哈爾濱工業大學