[发明专利]一种CdZnOS 四元ZnO 合金半导体材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体光电材料制备领域，特别涉及一种CdZnOS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、60 meV的激子束缚能，在光电器件方面有非常广泛的用途。对ZnO进行掺杂以实现其能带调节，可以拓宽其使用的波长范围，实现更广泛的器件应用。如ZnO基半导体材料中，以Cd取代Zn，得到由ZnO和CdO按一定组分固溶的CdZnO具有较ZnO更窄的禁带。实验证明，通过改变Cd的含量可实现CdZnO带隙由3.3eV至1.8eV单调连续可调。另一方面，除了用阳离子替换Zn²⁺，还可以通过阴离子取代ZnO的O²-来实现ZnO的能带调节。如以S取代ZnO中的O，得到可对ZnO能带进行调节的ZnOS材料。研究表明，少量S掺杂取代O会抬高ZnO的价带，形成类ZnS的价带顶，能有效减小ZnO的带隙。在S含量50％左右时，ZnOS的带隙最低约2.6eV。这些掺杂均可有效实现连续可调的低带隙ZnO基半导体材料，拓宽了ZnO基半导体材料作为量子阱器件的势肼层材料或光电器件有源层的波长范围。Cd与S共同掺杂ZnO可实现其低带隙连续可调，而高Cd含量和适量S的掺杂下的新型CdZnOS四元半导体材料，有望使得带隙较CdZnO和ZnOS基材料更低，这对于开发可见光波段的光电器件具有重要意义。

目前有些关于CdZnO和ZnOS半导体材料的报道，但是尚未见到Cd和S共同掺入ZnO制备CdZnOS四元ZnO合金半导体材料的报道。本发明首次制备出CdZnOS四元ZnO合金半导体材料，对于研发可见光波段发光器件或光探测器等光电器件具有非常重要的意义。

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CdZnOS四元ZnO合金半导体材料的制备方法，所述CdZnOS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CdZnOS四元ZnO合金半导体薄膜材料所需的陶瓷材料。

按一定配比称取高纯ZnS和CdO粉末，所述ZnS粉末和CdO粉末的摩尔比例范围为95:5～60:40；

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；

将球磨后的粉料进行真空干燥处理，干燥箱内真空度为0.1Pa，温度为100℃，干燥6小时；

在干燥后的上述混合粉料中加入粉料质量6％的去离子水，研磨搅拌使粉料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2mm；

将陶瓷坯片放入真空管式炉，并在陶瓷坯片周围放置硫粉，在氩气保护下，在600～700℃高温烧结3～4小时后得到所需陶瓷靶材。

步骤2，采用脉冲激光烧蚀方法制备CdZnOS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700℃，开启样品台和靶台自转；

通入氧气，调整氧压为0.05～2.5Pa，开启激光器，将陶瓷靶材表面原子激光烧蚀出来沉积在衬底表面形成CdZnOS薄膜，激光能量为250～300mJ/pulse。

通过将Cd和S共同掺杂到ZnO中得到CdZnOS四元ZnO合金半导体材料。

所述CdZnOS四元ZnO合金半导体材料为薄膜材料。

通过调节靶材中原料配比及薄膜生长过程中的氧压来调节CdZnOS四元ZnO合金半导体材料中Cd、S的含量，以实现对ZnO带隙的调节，从而调控光电器件的工作波长。

本发明的有益效果为：

1、由Cd、S共同掺杂ZnO得到的CdZnOS四元ZnO合金半导体材料，可通过调节Cd、S的掺杂含量来实现对ZnO带隙的调节，从而控制光电器件的工作波长向可见光波段移动。制备CdZnOS四元ZnO合金半导体材料对于开发可见光范围波长可调的光电器件具有非常重要的意义。

2、本发明的CdZnOS四元ZnO合金半导体材料可采用常规脉冲激光沉积、磁控溅射、电子束蒸发等多种半导体材料生长方法进行生长，设备和操作工艺简单，易于控制。

附图说明