一種立方結構MgZnO薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及半導體材料制備領域，提供了一種立方結構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，加熱所述襯底至700℃，通入氧氣以控制所述腔體壓強，然后采用所述靶材，在所述襯底上進行進行脈沖沉積，獲得立方結構(111)取向MgZnO薄膜；所述襯底為(111)取向單晶MgO襯底。本發明還提供了一種立方結構MgZnO薄膜，采用所述的制備方法制成。本發明利用脈沖激光沉積(PLD)技術，采用Mg0.5Zn0.5O陶瓷靶制備立方相MgZnO薄膜，通過生長溫度、氧氣壓強和氧氣流量的精確控制，實現了高質量(111)取向立方MgZnO薄膜的生長，為制備不同取向高質量MgZnO基多元合金薄膜提供了便捷有效的手段。
【專利說明】
一種立方結構MgZnO薄膜及其制備方法
技術領域
[000? ]本發明屬于半導體光電材料制備領域，具體涉及一種立方結構(111)取向MgZnO薄膜及其制備方法。
【背景技術】
[0002]MgZnO薄膜帶隙可調范圍較寬(3.37-7.86￥)，在原理上可以應用于370-16011111范圍內的紫外光電器件等領域。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，以及原料豐富，成本低，無污染，熱穩定性好等天然優勢,MgZnO適合于制作日盲紫外光固體紫外探測器。
[0003]如要想實現高性能日盲紫外光探測器，首先要實現高質量立方MgZnO薄膜的生長取向和生長質量的有效控制。常用的用于光電器件的立方結構半導體材料有(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致生長質量的不同，因此需要制備不同取向的高質量立方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用開展系統的研究工作。但現階段，這方面的研究極度缺乏，由于薄膜材料的生長結構、生長取向和質量的控制一方面受到襯底結構、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構有重大影響，因此要想獲得單一結構、單一取向的MgZnO薄膜，不但襯底結構和取向要選取合適，還要通過生長條件的選取精確控制襯底表面的原子構成，MgZnO薄膜才能沿襯底的結構和取向生長，其他結構和取向的MgZnO生長才會得到有效抑制,MgZnO的質量才能有效的提高，另一方面，薄膜材料的生長結構和取向還會受到反應原子迀移能的影響，不同結構、不同取向的MgZnO薄膜對反應原子迀移能的要求也不一樣，在生長過程中需要根據MgZnO薄膜的生長取向和結構精確控制反應原子的迀移能，MgZnO薄膜才能按照襯底的結構和取向生長，其他結構和取向的MgZnO生長才會得到有效抑制，MgZnO薄膜的質量才能較高，但現階段這方面研究工作的報道比較少。
[0004]目前制備MgZnO薄膜主要有PLD(脈沖激光沉積)技術、磁控濺射、MBE(分子束外延)、M0CVD(金屬有機化學氣相沉積)等方法。2003年，年美國馬里蘭大學及軍隊研究實驗室Yang等人用SrT13緩沖層以克服Si和MgZnO間晶格間熱膨脹失配，異質外延生長立方結構Mg0.68ZnQ.32O薄膜。但之后并沒有報道利用PLD方法制備出不同生長取向、結晶質量更好的立方結構MgZnO薄膜。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種高質量立方結構MgZnO薄膜及其制備方法，旨在解決現有技術中不同取向立方結構MgZnO薄膜的質量問題。
[0006]本發明是這樣實現的，提供一種立方結構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，加熱所述襯底至700°C，通入氧氣以控制所述腔體壓強，然后采用所述靶材，在所述襯底上進行脈沖沉積，獲得立方結構(111)取向MgZnO薄膜;所述襯底為(111)取向單晶MgO襯底。
[0009]本發明還提供了一種立方結構MgZnO薄膜，采用上述的制備方法制成。
[0010]有益效果:本發明提供的立方結構MgZnO薄膜的制備方法，其利用脈沖激光沉積(PLD)技術，采用MgQ.5Zn0.50陶瓷靶制備立方相MgZnO薄膜，通過生長溫度、氧氣壓強和氧氣流量的精確控制，實現了高質量(I 11)取向立方MgZnO薄膜的生長，為制備不同取向高質量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是本發明實施例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是本發明實施例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是本發明實施例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本發明實施例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本發明實施例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是本發明實施例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乘積的平方(ahv)2隨光子能量hv的變化曲線；
[0017]圖7是本發明實施例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。
【具體實施方式】
[0018]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0019]按照本發明的技術方案制備立方結構(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，使腔體壓強在SPa，然后采用Mg0.5Zn0.50靶材，在所述襯底上進行脈沖沉積，獲得立方結構(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有技術制備，步驟S02中，所述單晶MgO襯底的取向為(111)。
[0023]步驟S02具體為，將襯底切割成15X 20cm大小，經過清洗后放置于PLD設備生長室內。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節基靶間距，使基底與靶材的間距可以在50?90mm范圍內調節，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，實現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，對襯底進行預熱;生長時，調節襯底溫度為700°C，打開激光器和基靶之間擋板進行沉積;生長100?140分鐘后關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行。為實現真正的氧氣氣壓的調節，防止其他氣體的影響，在機械栗和分子栗作用下抽真空，生長室的背底真空可以達到?5 X 10—4Paο以高純氧氣(99.9999 % )作為生長氣體，為了調節氧氣流量，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室，通過調節氧氣流量至50sCCm，將生長室內氣壓控制在8Pa，使薄膜分別在不同的工作壓強下生長。采用德國Lambda Physics公司進口的COMPexPro 220KrF準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。優選地，生長時激光能量固定在250?350mJ。
[0024]脈沖激光沉積技術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、以一定速度到達襯底表面進行再結晶成膜，生長MgZnO薄膜。在光電子薄膜材料中，(111)取向的立方結構半導體薄膜材料結晶質量較高，更有利于高性能光電子器件的制備。在立方結構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MgZnO薄膜中橫向熱迀移，出現六方結構MgZnO，不利于立方結構(111 )MgZnO薄膜的生長和薄膜質量的提高，但如果要獲得高質量的薄膜材料，生長溫度還不能太低。
[0025]本發明的立方結構(111)取向MgZnO薄膜的制備方法，是利用O蒸汽壓較高的特點，通過調節生長參數使MgZnO薄膜生長處于較高氣壓、氧氣流量較大的環境，此時由于Mg、Zn、O原子向襯底運動過程中收到氧氣的碰撞幾率較高，到達襯底時迀移能量較低，無法迀移到對反應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比較強，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，在較低的反應離子迀移能和富氧的襯底表面，(200)取向的立方MgZnO和六方結構的MgZnO的生長受到抑制，MgZnO只能按照立方結構的(111)取向生長，因此MgZnO薄膜結晶質量較高。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，但薄膜質量較差。
[0026]在本發明中具體規定了獲得缺氧和富氧氣氛的方法(抽真空，實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、襯底溫度、生長時間等參數，本發明正是通過對MgZnO薄膜制備過程中各相關參數的不同調節和協調控制，才獲得了本發明的技術效果。
[0027]應當注意到，本發明的方法為高質量多元立方結構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，實現薄膜材料生長取向和生長結構的有效控制，在適當原子構成的襯底上可以獲得高質量氧化物合金薄膜材料，也可參照應用于非氧化物薄膜，例如多元氮化物薄膜。
[0028]以下結合具體實施例對本發明的技術方案進行詳細描述。
[0029]實施例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預處理30min，然后進行生長。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，并通過調整單位時間內抽出腔體氣體的量，使氧氣壓強固定在8Pa。降至室溫取出樣品。
[0031]本實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)取向擇優生長，在單晶(200)襯底上制備的MgZnO薄膜沿(200)取向生長，但質量較差。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是本發明實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薄膜的質量較高。
[0032]圖4是本實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]由本實施例中可以看到，在較高的溫度，氧氣壓強和氧氣流量條件下，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量立方結構(111 )MgZnO薄膜。
[0034]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種立方結構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，加熱所述襯底至700 V，通入氧氣以控制所述腔體壓強，然后采用所述靶材，在所述襯底上進行脈沖沉積，獲得立方結構(111)取向MgZnO薄膜;所述襯底為(111)取向單晶MgO襯底。2.如權利要求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為通入氧氣流量為40_70sccm，使所述腔體的壓強為6-10Pa。3.如權利要求1所述的立方結構MgZnO薄膜的制備方法，其特征在于，所述氧氣為高純氧氣。4.如權利要求1所述的立方結構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.如權利要求1所述的立方結構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.如權利要求1所述的立方結構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.如權利要求1所述的立方結構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。8.一種立方結構MgZnO薄膜，其特征在于，采用權利要求1?7任意一項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