[发明专利]一种制备MgZnO三元化合物有序薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备薄膜的方法，尤其涉及一种制备MgZnO三元化合物有序薄膜的方法。

背景技术

作为第三代半导体的典型代表，II-VI族化合物半导体氧化锌(ZnO)因其独特的物理化学性质和光电性能，正逐渐受到人们的关注和得到工业上的应用。ZnO除了具有宽的能带带隙(3.37eV)外，其自由激子激活能为60meV，使之成为比GaN(28meV)和ZnSe(19meV)更优越的宽带隙的半导体材料。与氮化物或硒化物半导体相比，ZnO的热稳定性和光学性能都具有无法比拟的优势。高达60meV的激子激活能和铅锌矿结构的稳定性，使得此种材料制成的短波长(蓝光)发光二极管或激光器具有很大的应用价值。例如，在室温下观察到的光泵激发的ZnO受激发射就对开发ZnO光电材料的应用具有重要意义。近年来，随着对ZnO及其相关材料的研究和其在光电子、微电子等领域研究的不断深入，对材料的物理和化学性质提出了更高的要求，需要比ZnO带隙更大的宽带隙半导体材料，以能够激发出更短波长的光。带隙为3.37eV的本征ZnO半导体经掺杂后，如掺Mg形成的MgZnO合金，其能带带隙有望随Mg含量的增加而变宽，从而使得探测波长范围能够向中紫外乃至深紫外方向扩展，这在民用和军事领域都具有极其重要的应用价值。

MgO本身作为一种直接带隙为7.8eV的绝缘体材料，经与同为直接带隙的ZnO形成化合物后，就有可能随Mg含量的变化而使ZnO的带隙由3.37eV向7.8eV拓展。在结构上MgO和ZnO分别是岩盐矿相和铅锌矿相。由于两种材料在晶格结构上的差异，在热力学平衡态下MgO在ZnO中的最大固溶率只有4％，而ZnO在MgO中的固溶率可以达到56％。目前研究的主要困难就在于，由于高Mg含量的薄膜生长容易出现相分离，很难获得单一晶向的MgZnO单晶薄膜。因此，通过优化实验条件和生长技术，实现随Mg含量变化的MgZnO有序薄膜对实现其应用具有重要的基础作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备MgZnO三元化合物有序薄膜的方法，该方法提供一种实现在热力学非平衡态下具有各种Mg含量的MgZnO薄膜的生长，从而制得取向单一、纯度高、可重复性好的高质量超薄MgZnO三元化合物有序薄膜的方法。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：

(1)制作纯净锌源和镁源：先将纯金属锌丝和镁带用酒精和丙酮进行超声波清洗后，紧紧缠绕在清洁钨丝上，再将镁和锌这两种金属源分别固定在法兰上，装入并固定于超高真空室中，在真空室抽成超高真空后，采用直流电流加热法对金属源加热，以除去金属源表面吸附的气体杂质和氧化层，从而使生长时蒸发出来的金属原子具有很高的纯度；

(2)对单晶的金属Mo(110)衬底表面进行清洁处理，即通过在真空室内通入1×10^-5Pa的O₂，使金属衬底在800～900℃温度下退火10分钟，再关闭氧气并迅速将衬底加热至1300℃；按照上述过程反复操作几次后，再使衬底在1800～2000℃下退火，即得到表面完全清洁的金属衬底；

(3)在真空室内金属源蒸发并沉积在金属衬底表面，利用测厚仪测定镁和锌的蒸发速率，控制锌源和镁源的蒸发速率在0.1～0.4nm/min之间；在测定生长速率之后，保持锌源的蒸发速率不变，调节镁源的蒸发速率，从而调节MgZnO化合物薄膜中Zn和Mg的相对含量；

(4)待金属源的蒸发速率稳定后，将衬底表面正对金属源，通入压强≤1×10^-4Pa的O₂，根据所需要的薄膜厚度，设定需要生长的时间，待生长完成后，再以20-30℃/min的速率将衬底温度缓慢地从室温升高至350-400℃，待温度稳定后关闭氧气阀，在此温度保持10分钟后，使衬底自然冷却至室温，这里在生长完成后选择提高衬底温度，目的是为了使在室温下形成的薄膜能够二次再结晶，从而提高薄膜的稳定性；

(5)如果需要改变Mg和Zn的相对含量，只需要改变Mg源的蒸发速率，依次重复上述步骤(3)和(4)，即可得到不同Mg含量的MgZnO三元化合物有序薄膜。