[发明专利]禁带宽度连续可调的多元合金氧化物薄膜材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种禁带宽度连续可调的多元合金氧化物薄膜及其制备方法，属于宽禁带半导体光电材料领域。

背景技术

新一代宽禁带半导体ZnO是继GaN之后，蓝紫光宽禁带半导体光电材料的研究热点。为了提高ZnO基光电器件效率，需要获得高结晶质量的ZnO，并且通过掺杂以调节其禁带宽度，满足紫外光探测、蓝紫光LED等对于响应波长的要求，同时为进一步获得多量子阱或超晶格结构提供基础。

通常采用MgO(Eg＝7.8eV)与ZnO形成Zn_xMg_1-xO合金薄膜提高禁带宽度。但ZnO是六方纤锌矿结构(a＝3.249，c＝5.207)，而MgO是立方岩盐相结构(a＝4.220)，两者的晶格结构差异较大，导致Mg含量的超过33％时ZnMgO合金薄膜极易发生分相，禁带宽度在4.2～5.4eV范围内难以连续调节。为了避免ZnMgO体系易分相的问题，可采用BeO(Eg＝10.8eV)与ZnO形成BeZnO合金[参见Ryu et al，Wide-band gap oxide alloy BeZnO，Appl.Phys.Lett.88，052103(2006)]。BeO与ZnO同为六方纤锌矿结构，理论上可以完全固溶，使得禁带宽度在3.3eV～10.8eV连续可调。但是Be²⁺的离子半径(0.27)和Zn²⁺的离子半径(0.60)差异较大，导致BeZnO薄膜晶格失配度较大，结晶较差，影响其光电性能。因此，对ZnO薄膜进行Mg或Be的单掺杂难以实现高质量薄膜的合成。

本发明拟提供一种单一六方纤锌矿结构的ZnBeMgO合金薄膜，利用Mg与Be的协同作用降低了Be引起的薄膜晶格失配度，增加了Mg在合金薄膜中的固溶度，抑制了高Mg含量时易产生的立方分相，提高了薄膜的结晶质量，并实现禁带宽度在3.7～4.9eV之间连续可调。

发明内容

为了获得高结晶质量的ZnO基薄膜，实现其禁带宽度在大于本征ZnO(3.3eV)范围的连续可调，本发明提供了一种禁带宽度连续可调的多元合金氧化物薄膜及其制备方法。

本发明的禁带宽度连续可调的多元合金氧化物薄膜主要组成为Zn_1-x-yBe_xMg_yO，其中x、y为摩尔分数，且0≤x≤1，0≤y≤1，0≤x+y≤1，通过控制x和y的值来调节ZnBeMgO薄膜中Be和Mg的含量，以实现其禁带宽度在3.3～10.8eV范围内的连续可调。尤其是在3.7～4.9eV范围内连续可调。

本发明的禁带宽度连续可调的多元合金氧化物薄膜晶体结构为六方纤锌矿结构，利用Mg与Be的协同作用降低了Be引起的薄膜晶格失配度，增加了Mg在合金薄膜中的固溶度，抑制了高Mg含量时易产生的立方分相，提高了薄膜的结晶质量。

本发明的禁带宽度连续可调的多元合金氧化物薄膜的制备方法，可采用脉冲激光沉积法、溅射法、化学气相沉积法、分子束外延法或Sol-gel中的任一种制备。以脉冲激光沉积法为例，选择Zn_0.8Mg_0.2O和BeO陶瓷靶交替沉积，衬底可以选用石英玻璃衬底、单晶硅衬底、普通玻璃衬底、ScAlMgO₄(掺Sc的镁铝尖晶石)衬底或者单晶蓝宝石(Al₂O₃)衬底。具体工艺步骤如下：

a)选用石英玻璃、单晶硅、普通玻璃、ScAlMgO₄衬底单晶蓝宝石(Al₂O₃)中的任意一种作为衬底，先将衬底用丙酮、乙醇和去离子水标准超声清洗，放入成膜室中。其中单晶蓝宝石(Al₂O₃)衬底在10^-5Pa背景真空下700℃退火30min。保持衬底温度为600℃。

b)在10^-5Pa背景真空下通入高纯氧气，保持氧分压为10^-2Pa。

c)选择Zn_0.8Mg_0.2O和BeO高纯陶瓷片作为靶材，交替由不同脉冲数的激光轰击烧蚀，从而在衬底上获得不同Be含量的ZnBeMgO薄膜。激光能量为200mJ，脉冲频率为5Hz，靶-衬底间距为6cm。每一个交替生长周期中，轰击烧蚀Zn_0.8Mg_0.2O靶的激光脉冲数固定为25个，轰击烧蚀BeO靶的激光脉冲数为10～70个。