[发明专利]一种MgZnOS四元ZnO合金半导体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电半导体材料制备领域，特别涉及一种MgZnOS四元ZnO合金半导体材料及其制备方法。

背景技术

第三代宽禁带半导体ZnO具有约3.3eV的禁带宽度、60meV的激子束缚能，在紫外光发光及光电探测等方面都有非常广泛的用途。为实现器件应用，还需要对ZnO进行掺杂，以调节其能带。如用Mg部分取代Zn得到MgZnO可获得更宽的禁带。MgZnO是由ZnO与MgO按一定组分固溶而成，当Mg含量较低时为六方结构，当Mg含量较高时为立方结构。通过改变Mg的含量可实现MgZnO带隙单调连续可调，带隙范围在3.26eV～3.87eV；MgZnO可作为ZnO基量子阱器件的势垒层材料或紫外光探测器的有源层。除了可以用阳离子替换Zn²⁺，还能用阴离子替换O^2-。如以S部分取代ZnO中的O，得到ZnOS，也可实现对ZnO能带的调节。与Mg掺杂不同，少量S掺杂取代O会抬高ZnO的价带，形成类ZnS的价带顶，减小带隙。在S含量50％左右时，ZnOS的带隙最低约2.6eV。当S的含量进一步增加，ZnOS的带隙也会随之增加，带隙范围在2.6eV～3.71eV。通过将Mg、S共同掺杂ZnO得到MgZnOS四元半导体合金，不仅能够通过调节Mg、S的含量来实现对ZnO带隙在2.94eV～3.95eV范围自由可调，从而调控光电器件的工作波长，还能调节ZnO的价带和导带结构，改善其电子和空穴特性。相比MgZnO和ZnOS等三元半导体，MgZnOS四元合金半导体能带结构具有更高的可调自由度，从而使得其带隙可调范围变宽。制备MgZnOS四元合金半导体对于开发波长可调的紫外光波段光电器件具有非常重要的意义。目前关于MgZnO和ZnOS半导体材料有些报道，但是尚未见到制备MgZnOS四元合金半导体材料的报道。

发明内容

为实现对ZnO能带的多自由度调节，我们发明了一种MgZnOS四元ZnO合金半导体材料的制备方法，所述MgZnOS四元ZnO合金半导体材料的制备方法包括以下步骤：

步骤1，制备生长MgZnOS四元ZnO合金半导体薄膜所需的陶瓷靶材。

按比例称取ZnS和MgO粉末，所述ZnS粉末和MgO粉末的摩尔比例为99:1～75:25；

在称取的上述粉末中加入粉末总质量60％的去离子水进行球磨；

将球磨后的混合粉末进行真空干燥处理，真空度为0.1Pa，温度为110℃，干燥6～8小时；

在干燥后的ZnS与MgO混合粉末中加入粉末总质量2～6％的去离子水，研磨搅拌使两种粉末均匀混合粘结在一起；

将混匀物置于模具中，压制成陶瓷坯片，陶瓷坯片的厚度为2～3mm，直径可调；

将陶瓷坯片放入真空管式炉，并在陶瓷坯片周围放置硫粉，在氮气保护下，在700℃～1250℃高温烧结4～6小时后得到所需陶瓷材料。

步骤2，利用陶瓷靶材、蓝宝石和有机溶剂，采用脉冲激光烧蚀沉积方法制备MgZnOS薄膜。

采用步骤1制备的陶瓷材料作为激光烧蚀靶材，采用蓝宝石作为薄膜生长的衬底；

将衬底经过丙酮、无水乙醇和去离子水中的一种或几种试剂分别超声波清洗15分钟；

将步骤1制备的靶材和上述清洗得到的衬底分别放在靶台和样品台上装入真空室，并开启真空泵抽真空，真空度为10^-4Pa以下，调节衬底的生长温度为25～750℃，开启样品台和靶台自转；

通入氧气，调整氧压为0～10Pa，开启激光器，将陶瓷靶材表面原子烧蚀出来沉积在衬底表面形成MgZnOS薄膜，激光能量为250-600mJ/pulse。

同时本发明提供了一种根据所述MgZnOS四元ZnO合金半导体材料的制备方法制得的MgZnOS四元ZnO合金半导体材料，通过将Mg和S共同掺杂到ZnO中得到MgZnOS四元ZnO合金半导体材料。

所述MgZnOS四元ZnO合金半导体材料为薄膜。

通过调节Mg、S的含量来实现对ZnO带隙的调节，从而调控光电器件的工作波长，还能通过调节ZnO的价带和导带结构，改变其电子和空穴特性。

本发明的有益效果为：