[发明专利]高镁含量六方相MgZnO薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体功能薄膜材料技术领域，尤其涉及一种高镁含量六方相MgZnO薄膜及其制备方法。

背景技术

ZnO薄膜是一种直接带隙宽禁带半导体材料，常温下的禁带宽度为3.37eV，其激子束缚能高达60meV，具有优异的光电、压电及介电特性，无毒性，原料易得且廉价，被认为是最有潜力的紫外、蓝光的激光器发光材料。

MgZnO薄膜为新型宽带隙三元化合物半导体材料。由于Zn²⁺(离子半径0.060nm)和Mg²⁺(离子半径0.057nm)离子半径接近，Mg²⁺和Zn²⁺在各自氧化物晶格中互相替换形成MgZnO替位式混晶，引起的晶格畸变较小。此外，由于MgZnO固溶体具有匹配的生长衬底、生长温度低，抗辐射性能更强，以及原料丰富，成本低，无污染，热稳定性好等天然优势，MgZnO薄膜被认为是ZnO光电器件理想的势垒材料而受到关注，特别是利用MgZnO具有带隙连续可调的特点，适合于制作紫外光固体紫外探测器。

为了有效限制光发射器件中的电子和光子，需要制备较高Mg组份的MgZnO三元合金。然而由于ZnO是纤锌矿结构，属六方晶系，而MgO是NaCl结构，为立方晶系，随Mg含量不同，MgZnO可偏向某一晶格结构，呈现六方或立方相晶体结构。研究表明，MgZnO当Mg含量＜37％时为六角晶体结构，＞62％为立方晶体结构，在二者之间为混合相。镁含量在混合相区间的MgZnO薄膜对于应用具有重大意义，如日盲紫外探测器等，但由于出现混合相导致结晶质量差，使其难以得到应用。因此，如何在这一区间制备高质量、单相的MgZnO薄膜成为该领域亟待解决的问题。

目前，制备MgZnO薄膜主要有脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射、分子束外延(MBE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)等方法。其中，PLD技术由于具有设备简单、易于控制，源材料价格低廉、易得，生长温度低，系统污染少，成膜质量高等特点，成为制备ZnO及其合金薄膜材料使用最广泛的方法。

在众多报道利用PLD技术制备MgZnO薄膜的工作中，为了实现高Mg浓度的掺杂都是采用靶材Mg含量较大(大于30％)的陶瓷靶进行生长，但得到的样品大多呈现混合相或纯立方相，而高Mg含量的六方单相MgZnO薄膜鲜有报道。

美国的Wei W等人用PLD法，选用Mg组份为15at％的靶材制备了不同衬底温度系列的MZO薄膜，得到的是单一六方相的薄膜，带宽随衬底温度升高而增大，但最大的带宽(750℃时)也只有3.71eV，离日盲区还有一定的距离。目前国际上利用PLD制备六方MgZnO薄膜Mg含量最高的报道为36％，带隙已经到了4.05eV。而国内还没有见到利用PLD获得Mg含量大于30％的六方相MgZnO薄膜的报道。

因此，现有技术有待于完善和发展。

发明内容

本发明的目的在于采用常用的PLD(脉冲激光沉积)技术，解决高镁组份下MgZnO薄膜的分相问题，生长高质量、单相(六方相)的MgZnO合金薄膜。

为了解决上述技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种六方相MgZnO薄膜的制备方法，在缺氧气氛下，采用低Mg掺杂浓度的MgZnO陶瓷靶进行脉冲激光沉积，在衬底上沉积得到高Mg掺杂浓度的六方相MgZnO薄膜。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，所述缺氧气氛通过将工作室抽真空获得。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，将工作室抽真空后进一步通入离化的高纯氧气。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，所述工作室的工作压强为5.0×10^-4Pa～2Pa。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，所述高纯氧气的流量为0～70sccm。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，所述MgZnO陶瓷靶与衬底之间的距离为50-80mm。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，所述MgZnO陶瓷靶为Mg_0.2Zn_0.8O陶瓷靶。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，沉积前所述衬底经过预热。

所述的六方相MgZnO薄膜的制备方法，沉积时所述衬底温度为450～650℃。

根据所述制备方法得到的六方相MgZnO薄膜，所述六方相MgZnO薄膜中Mg含量为44.5at％-48.5at％。